面向北斗二代终端的导航地图更新框架

利用我国自主研制的北斗卫星导航系统具备RDSS与RNSS兼容的特性,给出一个面向北斗终端的导航地图更新框架.北斗导航地图更新框架主要包括导航地图更新的数据模型、组织架构以及导航地图更新业务流程.框架充分利用北斗具备的导航、通信一体化的功能,实现导航地图数据的安全传输和实时更新.     

北斗RDSS在海洋工程数据传输中的应用

海洋一直是传统通信技术的最大盲区.因为缺乏有效的通信手段,造成船岸之间信息交流困难,高度信息化的海上工程船舶成为漂浮在海上的信息孤岛.北斗卫星导航系统将导航与通信集成,为解决船岸一体化提供了可行的技术途径.本文基于北斗RDSS(Radio—Determina—tion Satellite Service,卫星无线电测定业务)短报文通信原理,提出了北斗集群数传解决海洋工程船大数据量传输的技术方案.通过制定通信协议,建立有效的数据处理算法和压缩算法,将包含船机状态数据、施工工况数据、船位信息等数千个物理量实时发送到岸上指挥中心,实现了海上作业的船岸一体化,为海上作业船舶的生产调度和业务管理提供了信息技术保障.     

北斗系统长期空间信号测距精度评估及精度提升分析

基于后处理精密产品,评估了2015-06-01—2018-06-30北斗广播星历的性能精度.对北斗系统性能精度评估的基准问题进行了讨论,统计分析了北斗系统不同星座卫星的轨道差值与星钟差值的长期变化趋势,表明北斗系统空间信号测距精度有逐年提升的趋势.还发现北斗广播星历在2017-01-17前后做出的调整具有较好的效果,不同卫星轨道径向产生一个非零均值的偏差,分析表明该径向偏差更好地实现了轨道径向与卫星星钟参数的自洽,进而大大提高了北斗系统空间信号测距精度.并且北斗系统在2017-07-22对广播星历TGD参数进行了更新,提高了卫星钟差精度.采用4个MGEX测站数据的伪距单点定位验证北斗空间信号精度提升对北斗系统基本导航定位服务的影响,结果表明北斗系统在2017年2次更新后,北斗基本导航定位精度在NEU三个方向分别提升41%、49%和39%.2018年1—6月的统计结果表明,目前北斗系统的IGSO卫星空间信号测距精度最高,优于0.8 m,GEO与MEO卫星次之,约为1 m.     

转发式测距和直发式伪距的GEO卫星联合定轨

GEO卫星是区域卫星导航系统空间段的重要组成部分.仿真模拟表明,在星座组网运行时通过差分策略可消除卫星钟差,但对只有GEO在轨运行的单星模式需要引进其他测轨技术才可能获得高精度的GEO轨道和钟差信息.本文提出联合转发式测距和直发式伪距数据的GEO卫星联合定轨和钟差估计方案,克服了转发式跟踪站数量和测距数据有限的问题,实现了对直发式伪距跟踪站星地组合钟差的估计,并且保持了卫星星历与钟差的自洽性.利用我国区域跟踪网对GEO卫星的实测数据进行了联合定轨试验,开展了详细的误差协方差分析说明了转发式和直发式两种测轨技术的贡献,结果表明：转发式测距数据的定轨残差为0.203m,直发式伪距的定轨残差为0.408m.定轨弧段内激光外符视向精度为0.076m,预报2h激光外符视向精度为0.404m,星地钟差估计精度约为1.38ns.对于基于单个转发跟踪站的转发直发联合定轨,激光外符视向精度为0.280m,预报2h激光外符视向精度为0.888m,星地钟差估计精度约为1.55ns.相关指标满足了导航服务的需求.     

利用CAPS测距数据确定GEO卫星变轨期间的轨道

为调整轨道或者姿态,卫星每隔一段时间会进行喷气或者动量轮卸载,相当于对卫星产生了附加推力．由于变轨过程的复杂性和变轨加速度测量的不确定性,在一般的定轨过程中,通常是不采用变轨期间的测轨数据．但是在特殊情况下如导航卫星的RDSS服务需要提供不间断的包含变轨弧段在内的连续星历．文中利用高精度高采样率的CAPS测距资料,对某GEO卫星包含变轨弧段在内的6天长弧段进行了定轨分析,着重讨论如何利用变轨期间的遥测数据建立变轨推力模型,并将推力模型加入到定轨的动力学模型中,进行长弧段定轨．研究还表明,即使没有准确的遥测信息,基于CAPS系统的高精度高采样率测轨数据,可以解算推力参数．计算结果表明两种方案均取得了良好的数据拟合效果,变轨弧段的轨道位置误差最大约为20m．     

一种基于伪距的RDSS/SINS组合导航系统

基于北斗双星定位系统(RDSS)采用有源定位体制存在一定的局限性，在接收机能够测量用户至卫星的伪距信号以及在气压高度表辅助的前提下，提出了利用铷钟作为接收机内部时钟的RDSS与捷联惯导进行伪距组合的模型，建立其卡尔曼滤波的状态方程与量测方程．仿真结果表明，组合后的导航系统具有输出导航参数误差小的特点．     

低轨星座导航增强能力研究与仿真

低轨卫星星座具有几何图形变化快、落地信号功率强、全球天基监测覆盖等天然优势,可对中高轨全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)星座进行有效补充和增强,提升全球定位、导航与授时(Positioning,Navigation and Timing,PNT)服务的精度、完好性、可用性和抗干扰等能力,已成为下一代卫星导航系统重要的发展方向.本文总结了国内外低轨星座发展现状,对不同低轨星座进行了分析和设计,对低轨星座提升导航定位精度、加速精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)收敛、全球天基监测等导航增强能力进行了分析,重点论证了低轨星座突破现有中高轨GNSS技术瓶颈的机遇和体系增量能力,给出了相应的仿真分析结果,以期对我国低轨星座和北斗卫星导航系统的融合发展提供参考和建议.     

轨位偏置的GEO卫星轨道快速恢复技术

北斗系统中轨位资源相对匮乏的GEO卫星需要频繁轨控来保持轨位,其轨控后的轨道快速恢复问题,是制约卫星可用度和系统服务性能的重要因素.GEO卫星静地特性使得难以实现轨道参数与钟参数的有效分离,特别针对轨位偏置GEO卫星该问题更加突出.本文提出了星地钟差支持下的轨道快速恢复技术,通过无线电双向法实现星地时间同步和多星定轨实现高精度站间时间同步,实现了钟差与轨道的有效分离.本文同时提出具有先验约束的降相关方法和基于长弧约束短弧运动学和动力学参数的轨道快速恢复方法,有效解决了监测接收机系统差问题,实现了高精度的轨道快速恢复.基于北斗系统实测数据的试验分析表明:机动后轨道快速恢复时间由24 h缩短为4 h,SLR评估的预报2 h轨道视向精度优于1 m,UERE精度优于1.5 m,有效解决了轨位偏置GEO卫星的轨道快速恢复问题.     

北斗服务性能提升体系研究与集成验证

(1)空间信号精度提升总体设计。在最大程度兼容北斗卫星导航系统的基础上,从提升系统发播的空间信号精度方面,论证给出系统服务性能提升的指标分配与可行性分析、明确空间信号精度提升系统接口设计、完成空间信号精度提升总体设计,指导课题2(北斗空间信号精度提升关键技术)的工程实现。(2)地基导航信号网络总体设计。研究北斗地基导航信号影响服务精度的各种因素、实现定位精度5 m的指标分配、设计并论证地基导航信号网络信号体制、完成地基导航信号网络伪卫星布设方案与时间同步方案研究。指导课题3(北斗地基导航信号网络关键技术)的工程实现。(3)系统集成与试验验证。完成北斗空间信号精度提升系统集成方案设计、空间信号提升试验方案设计、地基导航信号网络布站方案的设计、地基增强示范系统集成方案设计、地基导航信号网络试验方案设计;实现空间信号提升系统集成、地基导航信号网络集成、搭建整个北斗服务性能提升试验系统;组织开展UERE优于1 m、定位精度优于5 m的技术指标试验验证,形成示范演示试验报告。(4)基于北斗的PNT体系架构及应用研究。该研究内容主要开展基于北斗的PNT体系需求分析、PNT体系应用模式及关键技术研究、PNT标准体系研究。最终形成"基于北斗的PNT体系构架及应用研究报告"。该年度主要研究内容为空间信号精度提升总体设计、地基导航信号网络总体设计、地基导航信号网络伪卫星布设方案与时间同步方案研究和基于北斗的PNT体系需求分析。     

北斗无线电测定业务机载设备与铱星机载地球站间兼容性

推动北斗(Beidou Navigation Satellite System,BDS)机载设备应用于民用航空器,将面临与已装载设备间的兼容性分析.铱星系统已相继在波音、空客等主要机型上集成应用,为航空器提供航空移动卫星服务.铱星系统用户链路与无线电测定业务(radio determination satellite service,RDSS)上行链路频谱重叠,针对北斗RDSS机载设备与铱星机载地球站进性兼容性评估.其中,机载天线间隔离度是评估机载系统电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)的主要参数之一,将飞机机身理想化为纯金属的光滑圆柱表面,通过调整两系统天线的相对位置,分析天线布局对天线隔离度的影响.同时,收、发天线极化轴比与RDSS发射功率也对两系统的兼容性产生重要影响.仿真结果表明,北斗RDSS机载设备会对铱星机载地球站造成有害干扰,并给出合理的同机安装建议,为北斗RDSS机载设备在民航上的适航装机提供了参考.     

北斗三号系统互操作实现与性能分析

针对当前国际卫星导航应用从单一GPS时代发展到多GNSS(全球卫星导航系统)时代带来的新趋势和新要求,本文从星座互操作、信号互操作、时间互操作和坐标互操作四个方面开展北斗三号系统与其他GNSS系统间的互操作设计.在星座设计方面,北斗三号的星座轨道高度与倾角设计与GPS,GLONASS和Galileo三大系统的星座充分互补,全球导航卫星PDOP平均可提升37.9%;在信号体制方面,北斗三号通过相同频率相似频谱设计实现与其他系统的互操作,并签署了兼容与互操作协议,可确保用户在不改变硬件设计的情况下同时使用各大系统导航服务;在时间基准与坐标基准方面,北斗三号系统建立与维持了与国际上高度一致的基准体系,实现与国际UTC,GLNT等时差偏差保持在50 ns以内,并与国际ITRF 2014坐标参数精度保持一致.因此,北斗三号系统通过四个方面的努力,实现了与其他GNSS的互操作,可联合美俄等全球卫星导航系统为全球用户提供更优质的服务.     

RDSS卫星授时误差建模与仿真测试

RDSS定时终端在不同领域得到广泛应用,终端技术取得日新月异的变化,但是由于RDSS体制的特殊性,相关信号模拟器的国内研制相对滞后,不具备仿真功能,无法满足定时终端定时处理流程和算法的测试需求.因此,研制具有仿真模型的模拟器支持调试研发是当前终端测试的迫切需求.本文详述了基于RDSS卫星授时的原理,分析了动态信号的模拟要求,建立了卫星转发时刻、卫星轨道参数、目标运动轨迹、信号传输误差等仿真模型.信号源实测数据表明,各项指标满足测试需求.     

北斗三号B1频点卫星导航信号的调制复用及实际接收性能

导航信号结构是卫星导航系统的核心技术之一,也是我国北斗三号卫星导航系统独立建设、自主运行的标志.本文分析了北斗三号B1频点卫星导航信号设计的需求与挑战,详细介绍了为满足北斗三号新一代导航信号性能提升、多样化接收以及与其他导航系统兼容与互操作等方面的迫切需求,我们为北斗三号主用信号B1C提出了一种新型的正交复用二进制载波偏移(Quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier,QMBOC)调制技术,以及为解决北斗三号B1频点新旧两代和军民两类导航信号并存的重大技术难题,提出了一种通用的多频多分量导航信号恒包络复用(CEMIC)技术,并通过对北斗三号组网卫星实际播发的信号接收处理与分析,验证了新一代B1频点信号的先进性能.QMBOC调制和CEMIC复用构成了北斗三号B1信号的核心结构,在很大程度上决定了信号的时频域特性、接收性能及发射效率,目前已经部署在北斗三号所有的组网卫星上并开始向全球提供服务,成为北斗三号赶超世界先进水平的重要特征.     

北斗二号/三号融合的分米级星基增强算法与性能分析

北斗卫星导航系统星基增强服务通过地球静止卫星向用户播发等效钟差、轨道改正数、电离层格网改正数和分区综合改正数等四重广域差分改正数,用户在此基础上利用载波相位观测值实现实时分米级的定位性能.本文介绍了分米级星基增强服务的参数匹配算法以及单频、双频用户精密定位模型.将系统播发的四重差分改正数应用于北斗二号与三号融合的精密单点定位,分析了不同频点及定位模型的系统精密定位服务性能.18个测站7 d的结果表明:北斗二号/三号融合的星基增强服务双频组合动态精密单点定位平均12.42 min收敛至0.5 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.15 m,高程0.2 m;相比仅使用北斗二号系统,不同定位模型收敛时间平均缩短了56.7%;而基于非差非组合的分区定位收敛速度更快,并且能达到与无电离层组合模型相同的精度水平.使用北斗电离层格网信息改正的单频动态定位PPP平均11.74 min收敛至0.8 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.2 m,高程0.3 m;相比使用广播星历电离层模型改正的结果,静态和动态定位平均收敛时间分别缩减了21.4%和25.2%.     

北斗卫星整网集中式自主定轨算法研究

由于分布式定轨算法只能得到局部次优解,为进一步提升北斗卫星自主导航算法精度,对北斗卫星整网 集中式定轨算法在轨实现方法进行研究。设计了基于推广卡尔曼滤波算法的整网集中式定轨算法及其在轨实 现流程,并利用北斗卫星上的龙芯1E300 处理器对算法精度及工程可行性进行了评估。仿真结果表明,整网集 中式算法精度优于分布式导航算法。且通过在龙芯1E300 处理器上仿真验证可知,集中式导航算法已具备星 上使用条件。     

北斗导航卫星氢原子钟性能分析评估

星载原子钟是导航卫星最重要的载荷之一,负责星上时间基准的产生和维持.我国北斗三号导航试验卫星首次配置了23 kg级被动型星载氢原子钟,验证了氢原子钟的空间环境适应性和在轨性能,实现在轨运行误差小于1 ns/d.在北斗三号全球导航卫星系统中,氢原子钟已作为主钟应用至GEO,IGSO和MEO三类导航卫星,对系统的运行发挥至关重要的作用.本文从氢原子钟的机理和性能评估方法出发,比较了铷钟、铯钟和氢钟三类原子钟的性能差异,根据地面和在轨测试数据,给出氢原子钟在轨运行性能评估结果;最后利用卫星遥测数据建模,对氢原子钟健康状况和寿命进行了初步分析.     

GNSS autonomous navigation method for HEO spacecraft

For global navigation satellite system(GNSS) in the application of high earth orbit(HEO) determination, there are problems such as small number of visible satellites and weak signal magnitude. The transmitting and receiving errors of GNSS signal in the environment of HEO space are analyzed, and related compensating scheme is also proposed. Acquisition of GNSS signal is implemented by using weak signal acquisition technology based on Duffing. Precise tracking of weak GNSS signal is also realized by adopting dynamic detection and compensation technology based on Duffing chaotic oscillator. Simulation results show that, certain acquisition sensitivity and navigation precision can be reached, and the acquisition and tracking of weak GNSS signal can be realized by using the proposed technology, which provides good technology support for autonomous navigation of HEO and large elliptical spacecrafts.