退役GEO通信卫星对改善CAPS系统PDOP的作用

简要介绍了赤道同步轨道（GEO）通信卫星完成既定的通信任务及大部分燃料已被消耗而退役后,在新的卫星轨位控制模式下被调控成为小倾角倾斜同步轨道卫星后的运行特征,并结合转发式中国区域定位系统（CAPS）,通过仿真计算分析讨论了这样的通信卫星用于转发式卫星定位系统后对改善导航定位星座结构,特别是改善PDOP的作用．结果表明,使用小倾角倾斜同步轨道通信卫星可使转发式卫星定位系统仅用GEO通信卫星不能进行三维导航定位的情形发生根本的改变,可实现三维导航定位,并在一定程度上提高系统的导航定位精度;可延缓退役GEO通信卫星退役后废弃成为空间垃圾的时间,使其为导航通信再服务数年,减少了退役GEO通信卫星形成空间垃圾对空间环境的污染,使宝贵的空间资源得以最大限度地利用．对转发式卫星定位系统利用这类卫星的注意事项也提出了一些看法和建议．     

基于CAPS的双天线共接收机无电离层影响的混合差分定位新方法

针对转发式中国区域卫星导航定位系统（CAPS）的构思与设计,给出了基于CAPS的导航定位解算的3种基本模式,并进行比较分析．根据电离层延迟与频率平方成反比,提出双天线共接收机的无电离层延迟影响的混合差分导航定位新方法,给出其基本原理,导出混合差分观测量,具体推导了单历元和多历元的解算公式和算法．该方法消除了CAPS导航信息发射、传播、转发和接收等环节的电离层延迟、硬件延迟、时钟误差等公共误差,方便于实现单历元解算和多历元导航定位,可有效提高CAPS的导航定位精度和实时性．该方法不但能同时对CAPS星座的GEO和IGSO卫星进行几何定轨和导航定位解算,而且还可以求解对流层天顶延迟,用于研究大气中水汽含量的变化．在有限时间间隔内,利用多项式表示天顶延迟和CAPS卫星轨道,可有效减少未知参数个数,提高解算速度和实时性．     

卫星导航观测方程双曲面交会解

本文探索了卫星定位中观测方程的建立方法及求解算法,即探讨了若把卫星定位中的观测方程从求球面方程的交点变换成求双曲面方程的交点后的差异和对定位解的影响.文中结合转发式卫星定位系统的具体应用,提出和推导了转换求解的方法.并通过几何放大因子DOP和测站三维位置坐标单点解分布图的仿真分析,验证了双曲面交会解的可行性,也揭示了其长处和优势.最后,通过对中国区域定位系统CAPS（China Area Positioning System）定位解的实验,证实了观测方程双曲面解的实用性.     

基于通信卫星的定位系统原理

介绍了基于通信卫星的中国区域定位系统(CAPS)的原理. 该系统首次采用通信卫星转发地面生成的导航信号, 从而把通信卫星用作导航星来为用户提供位置、速度和时间信息服务, 实现卫星导航定位功能. 基于关键技术研究和有关技术的发展, 为CAPS设计和建设了一个验证系统,选用位于87.5°E, 110.5°E, 134°E和142°E处的4颗GEO通信卫星作为验证系统的星座. 气压测高作为虚拟星座. 结果表明, 自主发明的基于通信卫星的转发式卫星定位的原理是正确的, 其技术可行, 以此组建的卫星定位系统具有投资小、研发周期短、功能全、精度高等优点. 作者认为, 一个创新的系统正在发展, 这可能是未来卫星导航定位发展的一种方向.     

中国区域卫星定位系统星座布局的选择

基于转发式卫星导航定位系统的思路,以与导航定位精度有密切关系的星座的位置精度衰减因子（Position Dilution of Precision,PDOP）在中国区域的分布和变化为主要评判依据,分析讨论由静止通信卫星和倾斜轨道同步通信卫星组成转发式中国区域定位系统星座的初步计划．我们重点考虑倾斜轨道同步卫星的3个主要的轨道参数,即轨道倾角、偏心率及升交点赤经的变化对PDOP的影响,通过仿真计算研究了该区域导航定位系统优良星座的布局方案．对多种星座布局分析比较的初步结果表明,设置3颗位于一组使‘8’字形星下点共迹的倾斜轨道同步通信卫星,它们的轨道倾角约为50°,卫星升交点的赤经差为120°,且其星下点轨迹的对称中心处在115°E附近,与4颗或5颗分布于约60°E至165°E轨位处的静止通信卫星组成转发式中国区域卫星定位系统的星座,可以满足对中国陆地和海疆的有效覆盖,可获得相对高精度的导航定位结果．给出了3个相对优秀的星座结构的初步结果,并讨论了有关的问题．     

GEO卫星机动后的星历快速恢复方法

GEO卫星可用于导航卫星,存在一个重要的问题是：GEO卫星机动较为频繁,卫星机动力不易建模．基于转发式测轨数据,常用的动力学统计定轨方法在无机动力的巡航状态下可以获得很高的精度,但当机动发生后,预报轨道将很快失效,一直到机动结束后较长时间内星历都不能有效使用．为改善这种状况,我们研究机动后星历的快速恢复方法．首先使用高精度转发式测轨数据,分析了GEO卫星机动情形下的运动规律．然后在卫星机动结束并进入巡航状态后,使用密集的短弧段观测数据,把公共系统偏差、各站系统偏差等作为常数,主要解算6个轨道根数,用统计定轨方法进行轨道预报,减少解算参数提高预报精度,实现卫星星历的快速恢复．结果表明：在目前的转发式测轨网布站情形下,对鑫诺一号卫星,利用15min数据预报2h,轨道精度（O-C）约为5m;利用30min数据预报2h,轨道精度（O-C）约为3m．     

角度约束辅助测量的深空探测器自主天文测角导航方法

高精度的天文量测信息是满足深空探测器高精度自主天文测角导航的必要条件.天文测角量测信息多种多样,之间具有几何约束关系,测量误差具有不同特性且符合相应的约束条件.本文提出了一种基于角度约束辅助测量的深空探测器自主天文测角导航方法,该方法以深空探测器轨道动力学模型作为状态模型,以火星、火卫一和火卫二与探测器之间的方位角作为量测量建立量测模型,并对量测量进行角度约束建模,然后利用遗传算法-序列二次规划混合非线性规划方法对角度约束模型进行非线性规划,由于系统模型均为非线性模型,因此本文利用容积卡尔曼滤波对系统状态进行估计,减小随机误差,并分析了天文测角的量测精度对导航精度的影响.仿真结果表明,本文所提方法可有效抑制多源随机量测误差,实现深空探测器高精度自主导航.     

多星座卫星导航系统的组合导航用户位置计算

在简要介绍BeiDou、GPS、GLONASS、GALLIEO四大全球卫星导航系统的最新发展情况基础上,针对使用单一卫星导航定位系统存在的问题,多星座卫星导航系统的组合导航已成必然趋势。对组合导航模式中系统时间、坐标系等不一致进行了分析和统一;对组合导航系统定位算法进行了研究,运用最小二乘的方法来解算用户位置。     

关闭部分导航信号实现区域定位阻断对全球定位性能的影响分析

在导航战中,可采用关闭己方部分卫星信号的方法或对己方卫星信号实施干扰的方法在区域范围内(如战区内)阻止对方单独使用己方的卫星导航定位系统进行定位服务.文中以关闭部分GPS卫星信号来阻止目标点定位为例,描述了关闭部分导航信号实现区域定位阻断的方法及仿真流程,定义了导航定位性能评估方法以及一种基于不可定位区域最小准则的导航信号关闭策略,并就关闭部分卫星信号实现区域定位阻断对全球定位授时性能产生的影响进行了分析讨论.仿真结果表明,关闭部分卫星信号阻止目标点使用定位服务,会导致全球49%以上地区的用户无法使用普通民用定位服务,并使全球民用用户的定位可用性受到一定影响.本文分析结果可为我国未来的卫星导航系统的民用信号反利用以及系统安全策略提供理论支撑.     

内含伪距差分功能的虚拟卫星原子钟

卫星原子钟是类GPS系统工作的基础,由卫星原子钟控制导航信号发射的时间和频率．在中国区域定位系统中,租用现有的通信卫星实现卫星导航,星上不配备卫星原子钟,在这种情形下,类GPS系统的基于卫星原子钟的时间同步方式不再适合．研究提出虚拟卫星原子钟的方法。可以实现无星载原子钟的卫星导航．采用虚拟卫星原子钟,将信号从地面发射的时间延迟到信号从卫星发射的时间,可以实现类GPS系统相同的伪距测量功能．虚拟卫星原子钟不但可以实现导航,并且还具有伪距差分功能,可以抵消星历误差,提高导航定位精度．虚拟卫星原子钟不但实现了无星载钟的导航系统,而且实现了一个具有差分功能的卫星导航系统．     

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.     

中国区域定位系统信号体制

合理的信号体制对卫星导航系统实现导航、定位、测速、授时等功能和满足性能要求十分关键．从转发式卫星导航系统的技术特点和通信卫星的现有资源入手,研究卫星导航系统的载波特性、测距码性能、BOC调制技术、导航信息速率、纠错校验方法和信道资源分配等,得到CAPS采用C波段双频、复合测距码、粗码精码结合、BOC调制、分通道安排不同用户信息、与现有卫星导航系统兼容等结果．试验测试表明,目前的信号体制能够满足CAPS的要求．     

干涉式量子定位辅助卫星导航周跳探测与修复方法

快速准确对周跳进行探测与修复是卫星导航高精度定位必须解决的关键问题。干涉式量子定位系统达到高精度必须具有良好PDOP(位置精度因子),但是受基线布置的影响,在整个覆盖区的PDOP并不能保证都是理想的。提出了利用干涉式量子定位某个方向高精度测距信息辅助卫星导航,进行周跳探测与修复方法。推导了干涉式量子定位与卫星导航网络RTK两者结合的定位方程,在新的定位模型下,采用Household变换以及LAMBDA算法,充分利用量子高精度测距所提供的信息,逐历元计算出卫星导航RTK测量中双差的整周模糊度,从而根据该模糊度的变化进行周跳的探测与修复。仿真分析表明:该方法可以在单历元内检测到周跳的存在,并在后续的短历元内正确地修复周跳。     

又一颗“北斗星”

从古至今,人类发明了多种导航方法。天文导航是通过观测天体的位置来确定自身位置和方向的导航技术,所需设备简单,但受气象条件限制。无线电导航是利用无线电保障运载工具准确到达目的地的导航技术,虽不受气象条件影响,但无线电波的传播距离有限。其他导航方法也各有不足。目前,卫星导航是比较理想的导航技术,利用一组导航卫星,就可以克服诸多限制,定位、导航精度较     

基于消息互联的无人机平台协同导航方法

 协同导航作为无人机集群平台的新导航方式,可充分利用各无人机间的消息互联融合所有平台的量测信息获取整个系统的最优估计。针对分布式协同导航算法估计精度低的问题,提出3阶段的协同导航方法,利用绝对导航输出信息作为协同导航的初始值,将相对导航输出信息作为协同导航的量测信息,构建协同导航滤波器,将各平台解算出的结果反馈到各平台自身的绝对导航,进而获取到导航信息的全局最优估计。仿真结果表明：提出基于消息互联的协同无人机集群导航方法可有效估计各无人机的导航信息,相较于传统的导航定位系统以及协同导航方法,具有更高的抗干扰性和稳定性,更能适应不同的复杂环境。     

CAPS导航信号的地面发射时间同步和载波频率控制

中国区域定位系统（CAPS）的卫星上不装载原子钟,CAPS导航信号在地面产生并能达到与装载高性能星上原子钟同样的效果．达到这个效果的主要手段是导航信号地面发射时间同步和载波频率控制调整．从导航信号形成的流程分析了各时间信号的同步要求,论述了CAPS地面导航信号的发射时间同步的理论和方法;根据高精度卫星测速信号源的条件,构建导航信号载波频率和频率链,提出通过对载波频率的实时控制预偏实现CAPS测速．并对该方法能够达到的精度进行了分析．试验测试结果表明,CAPS发射信号时间同步精度约为0.3ns,测速信源精度约为4cm／s．结果表明所提出的发射时间同步和频率控制理论与方法是可行的．     

抗转发干扰FFT快速捕获方法研究

为了解决有效抑制转发式干扰问题,根据转发干扰信号的码相位滞后于卫星导航信号的特点,结合快速傅里叶变换(FFT)快速捕获的二维搜索策略,提出基于延迟-等待捕获策略的抗转发干扰FFT快速捕获方法.该方法根据过门限峰值的码相位信息来区分判别卫星导航信号和转发干扰信号,在不影响接收机在无转发干扰正常工作的条件下,保证了接收机在转发干扰下的捕获性能.理论分析和仿真实验验证了该方法的有效性.     

DS/CDMA接收机高精度时钟同步及其校准技术

介绍了以卫星导航系统时钟为参考时间基准，通过时间比对的方法，实现对卫星接收机高精度频率源OCXO的时钟同步及校准，成功地解决了卫星导航系统与卫星接收机时钟同步的问题，为卫星导航定位电文解算提供可靠的时序．正确地解算导航电文，以保证后续的位置定位的精度要求．     

北斗卫星导航系统对定位测量数据的影响

北斗卫星导航系统是中国自主研制的全球卫星导航系统,然而北斗卫星导航系统对GNSS测量数据精度有何影响的研究较少,本文主要研究有无北斗卫星导航定位系统参与下,对GNSS测量数据的点位中误差及点位精度所带来的影响。研究表明,在有北斗的参与下,数据的点位中误差明显偏小,更接近已知点位的坐标,且数据质量稳定。     

中国区域定位系统的定位精度分析

中国区域定位系统（CAPS）与GPS都是典型直接序列伪码扩频测距系统,此类导航信号能达到的定位精度取决于多种因素,主要包括伪码速率、信号信噪比、跟踪环处理方法等．详细介绍了CAPS链路预算、CAPS定位解算方法,并着重从C／A码信号的自相关函数特性入手,在软件处理方法下,研究CAPS信号的测量精度问题,对其距离分辨率做了理论分析;针对传统DLL环路易受噪声影响,提出窄相关以及多相关器的环路结构及相应的鉴相方法,使跟踪环路更加稳健,码相位的测量分辨率也可以提高1倍左右,表明改进DLL环路结构以及鉴相方法是提高测距分辨率的一种重要手段．理论分析及定位实验表明利用3颗导航星并有高程辅助的CAPS接收机达到了20m左右的定位精度．