北斗导航卫星系统在水利行业的应用与展望

北斗导航卫星系统是我国重要的时空基础设施,建设以来已经广泛应用于社会经济多个领域。智慧水利是新阶段水利高质量发展的最显著标志和6条实施路径之一,北斗导航卫星系统为智慧水利提供了强大的技术支撑,为数字孪生水利建设提供了重要的时空基准和高精度的位置及通信服务。从北斗导航卫星系统的功能视角,选择水利工程变形监测、水利巡检、水文监测数据传输等典型应用场景,分析了北斗导航卫星系统的应用现状;同时,还讨论了北斗遥感技术在水位监测、土壤水分反演和大气水汽反演等方面的应用情况;最后,展望了北斗系统在水利领域的发展趋势,指出其应用场景和领域将持续拓展、应用规模将不断增长,以及与新技术融合应用将不断增强,随着北斗导航卫星系统技术的持续创新和应用范围的进一步扩大,北斗导航卫星系统在未来水利行业中将发挥越来越重要的作用,它将成为加快水利新质生产力、推动水利高质量发展的重要推力。

Schmidt算法在导航卫星自主定轨中的应用

针对现有导航卫星自主定轨采用的等效观测Kalman滤波算法精度难以进一步提升的问题,本文将顾及卫星间状态量协方差信息的Schmidt分布式算法应用于自主定轨,给出了逐观测量处理的Schmidt分布式算法测量更新和时间更新计算公式,提出了采用平方根滤波方法解决Schmidt分布式算法用于星间链路定轨时协方差阵非负定问题。仿真和实测数据自主定轨结果表明,相比等效观测分布式滤波算法,本文方法能够有效提升自主定轨精度。

2023年国外导航卫星系统发展综述

2023年,国外共进行3次导航卫星发射活动,均获成功,发射导航卫星3颗,分别为美国第三代导航卫星全球定位系统(GPS-3)第六颗卫星、俄罗斯格洛纳斯-K2(GLONASS-K2)导航卫星首星,以及印度首颗第二代导航卫星--印度区域卫星导航系统-1J(IRNSS-1J)

基于全球导航卫星系统应用的光频原子钟发展现状与可用性分析

随着光频原子钟技术迅速发展,光频原子钟不确定度已超越微波原子钟性能4~5个数量级,达到了10^(−19)数量级,在可靠性和小型化方面也不断提升,使得未来全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)搭载光频原子钟成为可能。介绍了几种GNSS光频原子钟的工作原理及国内外的研究进展,从稳定度、集成度及影响稳定度的因素等方面总结了几种光频原子钟的性能,并将四种光学时钟(离子光钟、光晶格钟、双光子跃迁光频原子钟、基于碘调制转移谱光频原子钟)与目前GNSS上搭载的四大导航系统进行比较,讨论了光频原子钟的应用潜力,并提出了各光频原子钟的发展建议。针对提升离子光钟和光晶格钟可靠性的需求,提出了通过提高激光器和超稳腔的稳定性、降低核心器件环境敏感性的建议。针对提升原子束光频原子钟稳定性的需求,提出了提高原子束利用率、进一步迭代实验等方案。针对提升双光子跃迁光频原子钟和调制转移谱光频原子钟的长期稳定性的需求,提出了结合真空技术及人工智能降低频率漂移率的解决方案。

导航卫星载荷分系统健康评估方法设计

面向下一代导航系统结合高中低轨构建导航星座的设想,随着遥测参数数量和种类的激增,针对传统健康评估方法面临的过往专家知识难以适用、故障机理储备难以覆盖全面的问题,提出了基于局部异常因子检测-贝叶斯网络结构学习的导航卫星载荷分系统健康评估方法;通过采集某卫星系统实际故障时间点前后数据,设计实验验证了局部异常因子检测方法能够以粗粒度正确输出单机级的健康状况;分析比较了3种评分函数下,贝叶斯结构学习的效率和模型的准确度;实验结果表明,当评分函数分别选为BDeuScore、K2Score以及BicScore时,学习到的模型对系统的健康评估准确度分别为87.4%、80.5%和85.2%;总结了局部异常因子检测-贝叶斯网络结构学习方法各自的不足,为导航卫星分系统健康评估方法提供了新方向和思路。

测绘工程中全球导航卫星系统在地理空间信息采集中的应用探索

地理信息技术主要包括地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)组成,其主要是收集资源环境、水文气象、地质地理等数据信息。在地理空间信息采集中应用全球导航卫星系统,则可以有效提高信息数据采集工作质量,全面提高信息收集精度和覆盖范围,有效提升数据信息的应用效果,其对于我国地理空间技术发展起到重大推动作用。本文重点分析全球导航卫星系统基本工作原理和应用特点,深入研究全球导航卫星系统技术要点,总结全球导航卫星系统在地理空间信息采集中的应用措施,希望对从事相关工作人员予以参考和借鉴。

高精度全球导航卫星系统在区域地形测绘中的应用研究

论述全球导航卫星系统,简称GNSS,其作为取得地理数据的便捷有效手段,被地形测绘领域广泛采用。本论文聚焦对GNSS在地形测绘中精确应用的透彻研究。利用GNSS数据处理方法,结合地理信息系统,简称GIS的相关技术,以此提高地形测绘的精度和效率。相较传统的地形测绘工艺,GNSS的技术不止能明显提升测绘精确度,同时能大幅降低野外作业的时间和费用。此外,还探讨了GNSS技术在高山、峡谷、森林等复杂地形的应用效果,得出其在这些环境下的显著优越性。我们的研究有望为更广泛、更深入地利用GNSS技术进行地形测绘提供理论依据和技术支持。并且,GNSS可以为城市规划、灾害救援、环境保护等领域提供高精度的地理信息,具有广阔的应用前景。

2020年国外导航卫星系统发展综述

2020年,国外共进行了4次导航卫星发射,成功发射导航卫星4颗。其中,美国2次,成功发射全球定位系统-3(GPS-3)卫星2颗;俄罗斯2次,成功发射格洛纳斯-M(GLONASS-M)卫星1颗、GLONASS-K1卫星1颗。截至2020年底,国外在轨运行并提供导航服务的卫星89颗,其中,美国GPS系统31颗,俄罗斯GLONASS系统23颗,欧洲“伽利略”(Galileo)系统24颗,日本“准天顶卫星系统”(QZSS)4颗,“印度区域导航卫星系统”(IRNSS)7颗。

导航卫星新形势下卫星定位课程教学方法探讨——以同济大学卫星导航定位原理与应用课程为例

当前全球及区域导航卫星系统蓬勃发展,尤其是我国北斗导航卫星系统BDS(BeiDou Navigation Satellite System)的建成,进一步提升全球导航卫星系统的服务能力。另一方面,随着高等教育中课程思政的不断深入,以立德树人为根本任务的高等教育也在经历新的变革。针对导航卫星系统发展的新局面及目前课程思政的发展,有必要改进卫星定位课程的教学方法。针对同济大学卫星导航定位原理与应用课程教学开展的现状,为贯彻三全育人、思政育人理念,探讨卫星导航定位原理与应用课程的教学新方法。

北斗三号全球导航卫星系统服务性能评估:定位导航授时、星基增强、精密单点定位、短报文通信与国际搜救

本文给出了北斗三号全球导航卫星系统定位导航授时、星基增强、精密单点定位、区域短报文通信、全球短报文通信和国际搜救共6类服务的测试评估方法,并利用实测数据对各类服务的核心指标进行了评估。结果表明,定位导航授时服务方面,空间信号测距误差0.23 m(RMS),空间信号可用性99.44%,空间信号连续性99.99%,PDOP可用性100%,B1C信号全球定位精度水平方向1.31 m、垂直方向2.13 m(95%),B1C信号全球定位可用性99.93%,B1C信号授时精度14.7 ns(95%);星基增强服务方面,定位精度水平方向1.03 m、垂直方向2.60 m(95%)、具有垂直引导能力的一类进近(APV-I)可用性100%;精密单点定位服务方面,定位精度水平方向0.17 m(95%)、垂直方向0.22 m(95%)、平均收敛时间9 min;区域短报文通信服务成功率99.6%,服务容量1530万次/h(上行)、935万次/h(下行);全球短报文通信服务成功率96.46%,服务容量40万次/h(上行)、21万次/h(下行);国际搜救服务方面,搜救信号接收成功率98.3%(发射功率37 dBm)。

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务。本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面,对北斗三号系统组网前后(2020年5月1日至2020年7月20日)BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究,并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。研究表明,BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。上述时段内,以国际GNSS服务(IGS)发布的最终GIM产品为参考,BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%;以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考,BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%;当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时,在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。

关于在中国构建全球导航卫星国家级连续运行站系统的思考

全球导航卫星连续运行站系统可以维持相应地区的高精度、3维、地心、动态坐标框架,提供集约化的定位和导航服务,成为当前国际和国内发展迅速的一项基础设施建设。该系统可以广泛服务于国家大地基准、气象、地球动力学、地学灾害监测以及位置服务等领域。对在中国构建全球导航卫星国家级连续运行站系统提出了方案,并从建设目的、建设原则以及建设方案等方面进行了讨论。

利用SLR和伪距资料确定导航卫星钟差

提出了综合利用SLR和GPS伪距资料测定导航卫星钟差的方法,采用2002年10月的SLR和伪距实测数据计算了GPS35卫星的钟差,并对GPS35卫星的钟差进行了预报,为了验证计算结果的精度,将本文计算的卫星钟差与IGS精密钟差进行了比较。通过比较分析发现:综合利用SLR和伪距资料测定的导航卫星钟差精度优于3ns,测定的导航卫星钟差与实际卫星钟差不存在系统差;导航卫星钟差的预报精度与计算卫星钟速的时间跨度有关;可以分离卫星坐标和卫星钟差之间的相互影响,便于对卫星钟差的研究。

全球导航卫星系统的进展

介绍了全球导航卫星系统(GNSS)以及GPS现代化方面的进展,GLONASS的近况和GALILEO的现状及今后的发展;评述了如何减少电离层和对流层对无线电信号传播的延迟、多路径效应、接收机天线和卫星发射天线相位中心的变化、接收相位的模糊度等因素对卫星定位精度的影响;讨论了GPS单点精密定位(PPP)的优缺点。

导航卫星系统功率增强技术与覆盖范围研究

基于国内外导航卫星功率增强设计的研究,在系统层面上仿真分析我国导航卫星系统中的GEO卫星在不同的仰角下天线波束的地面覆盖区域。在对功率增强技术分析的基础上,着重研究我国导航卫星系统的功率增强信号的覆盖范围,给出10 dB、15 dB、20 dB、25 dB不同功率增强要求下,地面接收功率、天线波束覆盖范围的仿真分析,提出功率增强要求对于卫星的约束条件。并从地面接收信号强度、功率增强的覆盖范围、功率增强技术的实现难度、导航卫星系统的多普勒碰撞问题方面进行的我国导航卫星系统与GPSⅢ系统性能对比。

导航卫星精密轨道与钟差确定方法研究及精度分析

介绍导航卫星精密轨道与钟差确定的相关方法,重点研究联合双差与非差GNSS数据处理技术实现精密定轨与钟差估计的原理与实现方法,基于GPS实测数据进行定轨与钟差确定精度分析。结果表明:利用全球均匀分布的30余个测站一天的观测数据,R、T、N方向定轨精度可以达到0.031 m、0.074 m、0.077 m,卫星钟差确定精度可以达到0.22 ns。

导航卫星星载自主轨道预报技术

全球导航星座自主导航技术对卫星自主轨道预报精度和计算速度提出了新的高要求,结合地面长期轨道预报精度现状和星载计算机性能,提出一种基于地面上注长期电文的卫星自主轨道预报技术。该技术的主要特点有二:首先,充分利用地面上注电文的高精度和高凝练度,可兼顾参考星历的高精度和节省星上存储资源;其次,选用状态转移的星上分析解算法,与地面上行注入、星上存储的方式相比,可大大节约星地上行数据量、星上数据存储量和计算量。通过仿真试验对计算资源、存储资源消耗和预报精度作了统计分析,结果表明,采用该技术进行星上自主轨道预报,计算资源占用少、计算速度快、预报精度高,该技术对于导航星座自主导航总体技术有着重要应用价值。

基于全球导航卫星系统资料的短时降水预报

根据大气对天顶对流层延迟(Zenith Tropospheric Delay,ZTD)影响的变化特征,提出并实现了一种无气象数据短时降水预报的方法。利用2015年5—6月浙江连续运行参考站(Continuously Operating Reference Station,CORS)网的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测数据和对应每小时的降水量信息对该方法进行验证,结果表明该方法能够预测出80%以上的降水事件,与国际上利用气象数据根据大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)预测出的结果精度相当。表明脱离地面实测气象数据仅利用ZTD对短时降水进行预报可行有效,对于降水的短时预报具有重要研究意义和应用价值。

全球导航卫星系统GNSS最新进展及带来的机遇和挑战

简单阐述了全球导航卫星系统GNSS建设的最新进展,包括GPS现代化、GLONASS恢复、GALILED系统和COMPASS/BD-2系统的建设。各国卫星导航定位系统的激烈竞争必将使GNSS发展面临新的机遇和挑战,本文基于目前GNSS导航卫星系统的建设内容,针对当前卫星导航定位技术领域所面临的完备性监测、多模卫星组合和中国COMPASS系统等涉及的数据处理问题进行了分析。

导航卫星高精度太阳光压摄动分析建模及验证

为提高导航卫星精密定轨与轨道预报精度,提出了一种导航卫星太阳光压摄动的分析建模方法。相较于其他摄动因素模型完善且精度较高,光压摄动由于太阳活动导致太阳能量误差、卫星姿态控制误差和表面材料老化等问题,是最难以精确建模的摄动源,也是动力学模型最大的误差源。基于此,提出了一种基于卫星的姿态控制规律,通过分析法建立卫星太阳光压摄动模型,给出了光压摄动加速度在星体坐标系中的模型,并以GPS Block IIR为例进行了验证。计算结果表明,该仿真分析法所建立的摄动模型与T30模型、ECOM模型精度接近,达到了光压建模研究的初步计算要求。