北斗三号系统卫星自主完好性监测技术

完好性对于全球卫星导航系统(GNSS)来说至关重要,关乎到其能否被放心应用。卫星自主完好性监测(SAIM)技术,是完好性监测技术发展的前沿趋势,国内外卫星导航系统均竞相发展。介绍了北斗三号系统SAIM技术设计与实现的重要意义,从功能设计和实现原理两个方面,阐述了北斗三号SAIM技术体制。针对SAIM实际在轨监测数据的正态分布特性服从程度和长期稳定性等问题,随机选取某一颗中圆轨道(MEO)卫星自2020年7月31日北斗三号系统正式开通服务以来至2021年7月31日连续1年期间的监测数据,得到真实在轨监测数据的分布特性。最后,提出了告警门限优化、分级告警策略设计、星历完好性自主监测等方面的后续发展必要性建议,旨在为北斗系统更好地为全球用户提供更优质的完好性服务提供参考。

北斗三号实时精密定位授时系统设计与实现

针对传统定位授时设备单机作业能力弱、定位授时精度低、GNSS动态授时接收机研究少等问题,设计实现了基于北斗三号精密单点定位服务信号(PPP-B2b)的实时精密定位与授时设备,所设计的设备通过全球卫星导航系统(GNSS)接收机接收北斗卫星信号,将卫星观测值、卫星广播星历以及PPP-B2b改正数输出给ZYNQ信号处理平台,ZYNQ的ARM端进行PPP-B2b接收机位置与钟差解算,输出接收机钟差到FPGA端,FPGA端通过外接的高精度10 MHz铷钟,结合实时精密钟差解算结果,生成驯服后同步到北斗时间基准的秒脉冲(1PPS)。通过设计实现静态、动态测试系统对设备进行性能测试。实验结果表明,设计的定位授时设备可以实现静态厘米级、动态分米级的定位精度,静态授时精度优于1 ns,动态授时精度优于3 ns。

北斗三号/GPS组合导航系统全球定位性能分析

为研究北斗三号/GPS组合导航系统在全球的定位性能,基于STK仿真软件,在全球范围内,以经纬度5°×5°的分辨率设置观测点,评估每个观测点的卫星可见性和GDOP值。结果表明:在良好观测环境下,相比单系统,组合系统平均可见星数增加了10颗左右,GDOP值达到“优”的状态,极大改善了卫星空间几何结构,弥补了北斗三号在西半球可见星数少、定位精度低的问题,GPS在高纬度地区卫星仰角小,定位精度低的问题;在复杂观测环境下,组合系统平均可见星数明显下降,GDOP平均值显著增大,但整体定位性能仍可以满足定位导航的需求。

北斗三号短报文在水文自动测报系统中的应用研究

为保障在极端自然灾害条件下水文自动测报系统中应用北斗三号短报文可靠传输数据,研究北斗三号短报文的技术特点和发送接收方式,结合水文自动测报系统的应用需求,提出在自动测报系统中应用北斗三号短报文传输和接收数据的技术方案。分析北斗三号短报文应用特点,以常用的雨水情遥测站为例总结北斗三号通信终端的集成方式、现场应用环境条件、遵循的通信协议和控制流程,选取适合的链路传输模式和报文编报方式,提出一种采用前置机FIU接收短报文的方案,分析其他北斗三号短报文数据接收方式的特点。应用北斗三号短报文可保障遥测站的数据稳定、可靠传输和接收,作为通信信道可广泛应用于各类型水文自动测报系统。

基于功能链的北斗三号卫星控制技术

为适应卫星研制技术和规模空前发展,在卫星高可靠的同时做到低成本,将传统的分系统设计方法按特点和学科进行了重新梳理,提出国内首创的功能链设计理念和方法,并成功应用于北斗三号首发试验星、组网星及备份星中,实现了北斗三号卫星的快速批产组网.阐述基于功能链的设计理念,重点介绍基于功能链的北斗三号卫星姿态及轨道等控制技术,在轨运行结果表明,卫星实现了连续可靠的工作,全面适应ka及激光星间链路的高控制精度要求以及导航卫星对高连续性的要求.

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。

北斗三号卫星系统总体设计

北斗三号全球卫星导航系统(The third generation Beidou navigation satellite system,BeiDou-3)于2020年7月31日正式开通运行。BeiDou-3不仅提供定位导航授时服务,同时提供具有北斗特色的多功能服务,包括区域短报文、星基增强、精密单点定位、全球短报文通信、国际搜救等服务。本文从卫星系统设计角度,详细分析介绍了BeiDou-3的功能,并讨论了卫星采用的主要新技术,包括卫星信号体制、星间链路、时频基准、星载综合电子、高效电源以及器部件的自主可控等。最后,对三类轨道的卫星设计进行了综合论述。

北斗三号基本系统空间信号质量评估

全球卫星导航系统(GNSS)空间信号(SIS)质量直接影响了用户使用性能。北斗三号卫星不同于北斗二号卫星,将继续播发北斗二号老信号,同时新增播发B1C,B2a等新信号,多频多信号多分量的信号体制较北斗二号更为复杂,对导航卫星信号质量控制提出了较大挑战。2018年底北斗系统完成了18颗卫星组网,完成北斗三号基本系统建设并开始提供全球服务,有必要对北斗三号在轨卫星空间信号质量进行量化评估。传统空间信号质量评估方法侧重于单项的定性评估,而针对北斗三号复杂的信号体制,缺乏系统的、定量的分析结果。该文对标北斗系统接口控制文件(ICD),从功率特性、频域特性、时域特性、相关域特性和信号一致性等方面研究了不同参数配置对评估结果的影响,形成了一套面向新型调制方式和多频多分量复用信号的量化评估方法。基于40 m大口径天线的空间信号质量评估系统,对18颗MEO卫星进行了长时间监测跟踪和数据采集,首次对北斗三号卫星空间信号质量进行了全面量化评估。结果表明:北斗三号卫星空间信号质量良好,18颗MEO卫星一致性较好,符合ICD指标要求,可满足服务区内用户需求;评估方法可用于对后续导航卫星空间信号质量的量化评估。

北斗三号全球卫星导航系统的林草行业应用展望

针对当前林草行业实现网格化、精细化资源管理的技术需求,系统地分析了森林、草地、湿地、荒漠化管理中时空数据的多样性特点,全面介绍了我国北斗三号全球卫星导航系统的优势,阐述了林草行业北斗应用的现状和问题,展望了北斗三号系统在林草行业广泛应用的前景。

北斗三号系统在精密工程控制测量中的应用

为了验证当前北斗三号系统(BDS-3)可以在精密工程控制测量单独使用,使用TBC(Trimble Business Center)5.8软件采取相同解算模式,对实测数据分别进行全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)短基线解算,以GPS为参考,BDS基线解算精度与GPS精度相当,在毫米级,网平差结果精度基本一致,点位中误差均在毫米级。结果表明,在精密工程控制测量应用中可以单独使用BDS-3系统。

基于BDS-3的三频改进动对动模糊度解算方法

针对传统三频整周模糊度解算方法(TCAR)中,动态环境下整周模糊度固定成功率较低,以及无几何模型无法充分利用可见卫星观测信息的问题,提出1种三频改进动对动模糊度解算方法:以北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)三频观测值为基础,选取2组超宽巷组合观测值,无几何模型下解算其整周模糊度;然后通过线性组合的方式获得宽巷模糊度;最后利用宽巷距离量的约束,采用几何模型解算窄巷模糊度,从而还原初始双差模糊度。实验结果表明:采用双超宽巷线性组合的方法获得宽巷模糊度可降低动态场景中噪声的影响,大幅提升宽巷与窄巷模糊度固定成功率,且将传统TCAR方法与几何模型相结合,可有效提升可见卫星观测信息的利用率,窄巷模糊度固定成功率可达到90%以上,最终实现厘米级相对定位。

卫星差分码偏差对北斗三号双频精密单点定位的影响

为探讨北斗三号系统不同频点组合卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)对精密单点定位(precise point positioning,PPP)的影响,推导北斗三号系统不同频点无电离层组合卫星端DCB改正模型,并基于MGEX跟踪站连续7天4站的观测数据按7种不同双频组合进行DCB改正实验。结果表明,DCB改正对PPP精度在最初的历元有明显提升,有助于滤波的收敛及提高单天解的均方根,但对于最终定位精度无明显提升。B2a/B3I及B2b/B3I组合定位精度及收敛速度明显低于其他组合,DCB改正后有所提升。其他5种组合改正后定位精度及收敛时间相当:静态PPP单天解均方根在E、N和U方向约为5.50 cm、2.50 cm和6.25 cm,较未改正前提升20%~65%;平均收敛时间为38 min,提升约6%;动态PPP平均收敛听语音聊科研与作者互动时间为59 min,提升约20%;最终定位精度水平方向优于5 cm,高程方向优于7 cm。

BDS-3单频三种差分定位方法的性能初步评估

为进一步分析北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)B3I、B1C、B2a和B1I单频差分定位精度,利用全球14个MGEX测站构成基线长度在30km以下的7条基线2022-09-01到2022-09-30共30d观测数据,在评估可视卫星数和信噪比基础上,初步评估了BDS-3B3I、B1C、B2a和B1I单频伪距差分、载波平滑伪距差分和载波相位差分定位精度。结果表明:数据质量方面,BDS-3B3I、B1C、B2a和B1I可见卫星数和信噪比基本符合解算需求;差分性能方面,B1C和B2a相当,B3I和B1I略差;伪距差分E、N、U方向优于0.6m,点位精度优于0.8m,单频平滑效果B1C优于B3I、B1I和B2a,在E、N、U方向分别平均提升21.34%、22.2%和17.17%。设置平滑值和原始伪距阈值定位精度得到较好的提升;BDS-3载波相位差分B3I定位精度优于7 cm,B1C定位精度优于5 cm,B2a定位精度优于6 cm,B1I定位精度优于5cm。总体定位精度随着基线长度逐渐下降,单频伪距差分定位精度达到分米级,载波平滑伪距中短基线定位精度相较于伪距差分能够提升40%,长基线提升20%,载波相位差分为用户提供厘米级定位精度。

基于北斗三号和风云四号A星的大通“817”极端降雨特征分析

充足的水汽和云相态变化是降雨发生的两个必要条件.北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)可以反演水汽,具有时间分辨率高、精度高的优点;风云四号A星(FY-4A)可提供分辨率为15 min的云相态参数.本文使用BDS-3和FY-4A数据分析了2022-08-17大通降水发生前后的大气可降水和云相态的时空变化规律,通过对比得到了大通“817”极端降雨三个特征:一是降雨前1 h大气可降水量(perceptible water vapor,PWV)快速上升,速率达到3.17 mm/h,显著超过同期一般降雨水平;二是降雨前云类型存在多层云与不透明冰云的多次变换,最后以不透明冰云形式发生极端降雨;三是极端降雨云顶高度通常大于10000 m.

基于LSTM的北斗三号卫星差分码偏差分析及预测

当卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)约束条件和基准发生变化时,其值会出现比较大的差异,影响导航定位的精度.本文分析了2021年的北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3) DCB的时序变化,综合太阳辐射通量和地磁指数,利用长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)神经网络对卫星DCB进行预测和精度分析.实验结果表明,LSTM神经网络模型预测效果优于多项式拟合法的预测结果,其平均绝对误差(mean absolute deviation,MAE)小于0.2 ns,均方根误差(root mean squared error,RMSE)小于0.5 ns;其未来多天的预测结果各项误差也均小于0.2 ns,LSTM神经网络可以有效对卫星DCB进行预报,为缺失的DCB产品提供参考.

北斗三号PPP-B2b信号精密单点定位服务可用性分析

针对北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)PPP-B2b信号精密单点定位(precise point positioning,PPP)服务可用性,以改正参数的可用性比例、平均可用卫星数和改正参数匹配性为指标进行了系统分析.结果表明:在中国及周边地区,BDS-3 PPP-B2b信号改正参数的可用性在71%~95%,且在北京地区达到最大,GPS改正参数可用性在68.5%~88.6%,差于BDS-3.中国及周边地区用户缺少PPP-B2b信号改正参数的卫星观测弧段主要集中在低高度角时段,其改正参数的可用性随着截止高度角的增大而增大;BDS-3、GPS和BDS-3/GPS在中国及周边地区的改正数可用平均卫星数分别约为8颗、7颗和15颗,可以确保有效的实时PPP(real time PPP,RT-PPP)服务性能,但平均约有1颗BDS-3卫星和2颗GPS卫星因为缺少PPP-B2b信号改正参数而无法参与RT-PPP服务;对于赤道以南地区,单个系统基本无法提供有效的PPPB2b服务,其改正参数的平均可用性低于50%,但BDS-3/GPS双系统在部分低纬度地区可提供约7~11颗的可用卫星;由于轨道改正参数和钟差改正参数更新频率不一致,在钟差改正数版本号(IOD Corr)参数更新时,会出现短暂的改正参数不匹配情况.

北斗三号新型船载终端设计

针对北斗二代卫星导航系统终端在精度、可靠性和智能化程度等方面存在缺陷,提出采用北斗三号卫星导航系统新技术,设计出新型船载终端。采用北斗三号卫星导航系统的定位技术和通信技术,对终端的硬件结构和软件系统进行设计和实现。结果表明,结合物联网等通信技术,采用高精度北斗定位结合GIS地理信息技术,将北斗+物联网通信技术相互兼容,结合计算机数据库管理和电子海图技术,利用北斗三号卫星导航系统特点可以设计出新型船载终端。终端设计能提高海上船舶实时动态监管和应急救助处置能力,构建快捷高效的应急救助体系。

北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡,北斗三号系统(BDS-3)通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息,包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后,等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征,并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差(UDRE)进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据,对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差(UERE)约为1 m,经过等效钟差改正数后,用户差分距离误差约为0.3 m;BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m,经过等效钟差改正数后,用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差,显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型,广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比,BDS-2/BDS-3卫星联合条件下,基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%;广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m,双频用户定位精度为1.7 m,单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。

铁路连续运行基准站BDS-3信号质量及PPP性能分析

为评价当前铁路沿线建立的连续运行基准站网的北斗三号卫星导航系统(BDS-3)信号的可靠性,使用G-Nut/Anubis对BDS-3的B1I/B3I和B1C/B2a信号进行观测数据质量分析,并基于无电离层组合精密单点定位(PPP)观测模型,分别采用欧洲定轨中心(CODE)、欧洲航天局(ESA)和德国地学研究中心(GFZ)的精密轨道和钟差产品进行B1I/B3I、B1C/B2a两种BDS-3双频组合静态PPP解算。与全球定位系统(GPS)对比的结果表明,BDS-3采用CODE产品和B1I/B3I组合模型可以达到最优的定位性能,结果精度与GPS相当。因此,在铁路连续运行基准站网测量应用中可以使用单北斗卫星导航系统(BDS)。