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。

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。

全球导航卫星系统-声呐组合观测模型分类体系

本文回顾了海底大地测量全球导航卫星系统-声呐观测模型近二十年来的发展,以声速误差处理为主线给出了全球导航卫星系统-声呐观测模型的分类体系,按函数模型、随机模型和约束条件进行了归纳,探讨了未来发展方向。研究表明:测距定位模型无需现场声速剖面测量,但需解决声速垂向梯度影响的有效参数化估计或改正问题;海底大地测量更为关注声速时空变化对观测值影响,为此推荐采用声速场误差加性补偿模型及其导出的声速场参数间接估计模型;海底局域网阵列存在类似共模环境误差,具有提升海洋环境参数估计及海底定位精度的能力。

导航卫星姿态和光压模型研究进展

不同导航系统中卫星的形状、材料、轨道设计和姿态控制模式等都不相同,在进行多系统数据联合处理时,要获得高精度的卫星轨道,需要区别对待不同类型卫星的姿态模型和光压模型。作为导航卫星所受量级最大的非保守力,国内外许多研究是围绕光压模型的建立与精化等方面来开展,以便建立最合适的模型,从而获取更高的定轨精度。目前的研究表明,新的Galileo以及北斗卫星采用与之前不同的姿态控制模式,适用的光压模型也不同。总结了目前比较通用的导航卫星姿态模型,尤其是官方最新公布的北斗卫星的姿态模型,详细介绍了卫星光压模型研究进展和近几年来新发射卫星光压模型以及其先验模型的构建方法,并分析了各个模型的优缺点和适应性。通过对目前导航卫星姿态以及光压模型的分析,提出在更高精度的定轨任务中有待改进的问题,为导航卫星尤其是新发射导航卫星精密定轨中的光压和姿态模型的选择和建立提供参考。

国家计量检定规程《全球导航卫星系统(GNSS)接收机(测地型和导航型)检定规程》实施

本刊讯(潘纯建报道)2024年4月12日,国家计量检定规程JJG 1200-2023《全球导航卫星系统(GNSS)接收机(测地型和导航型)检定规程》实施,该规程制定由全国测绘地理信息专用计量测试技术委员会归口领导,由中国地震局地震研究所、国家光电测距仪检测中心、湖北省计量测试技术研究院起草编制,参考了CH 8016-95《全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程》和GB/T 39399-2020《北斗卫星导航系统测量型接收机通用规范》等文件,于2023年10月12日发布。

导航卫星星地双基SAR时频同步误差估计方法

为验证长合成孔径时间下地球同步轨道合成孔径雷达对地成像的机理,采用北斗3号IGSO导航卫星作为照射源,地面静止接收的星地双基构型进行等效性验证。针对导航卫星信号特点和星-地双基合成孔径雷达面临的时间频率同步难题,提出了一种基于回波数据估计导航卫星测距码延迟误差,并进行误差修正的星地双基地合成孔径雷达回波数据时频同步误差估计方法。该方法首先根据导航卫星脉冲重复频率对一维直达波信号和反射波信号进行了二维划分,保留了整个采集信号的完整性,通过直达波信号距离向匹配滤波获得非理想采样环境下正确的峰值位置序列,并利用此峰值位置序列完成直达波信号和反射波信号的时间同步误差补偿以及本地测距码的修正,解决了北斗3号IGSO导航卫星星地双基合成孔径雷达成像过程中存在时间同步后距离脉压信号包络分布与理论推导模型失配的问题;然后利用修正后的本地测距码对直达波信号匹配滤波获得直达波峰值相位矢量;最后利用此峰值相位矢量对反射波信号进行频率误差补偿和成像处理。实测数据的处理结果验证了所提方法的有效性。

分析型光压模型在北斗导航卫星精密定轨中的应用

太阳辐射压摄动是导航卫星受到的最大非保守力,是精密定轨的主要误差源,目前一般使用扩展经验光压模型(ECOM)等经验模型应用于卫星的精密定轨,分析型光压模型物理背景清晰,更加适合在轨初期的精密定轨。文章分析了分析型光压模型在我国北斗高轨导航卫星中的应用。选取了约1个月的北斗地球静止轨道-6(GEO-6)和倾斜地球同步轨道-5(IGSO-5)卫星数据进行分析,其太阳辐射压摄动加速度在轨道的径向(R)、横向(T)和法向(N)3个方向分别约为10-7、10-7和10-8m/s2量级,将分析型光压模型和精密定轨输出的太阳辐射压加速度进行比较,GEO-6卫星径向和横向的差异在10-8m/s2量级,法向方向在10-9m/s2量级,相对误差在10%左右,对IGSO-5卫星,差异要小1/2左右,约为5%。以多模GNSS系统试验网络(MGEX)的轨道作为参考,直接使用分析型光压模型,GEO-6位置误差约为2.5 m, IGSO-5位置误差约为1.5 m,增加偏差和尺度因子标校参数后,位置精度分别提高到约0.5 m和0.1 m。结果表明:利用分析型光压模型,可以实现北斗GEO和IGSO卫星分米级的定轨精度。

全球导航卫星系统惯性导航系统组合导航的算法综述

对全球导航卫星系统惯性导航系统组合导航的特点进行了介绍,对卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、容积卡尔曼滤波、粒子滤波等传统滤波算法进行了分析,并论述了神经网络算法的研究进展。

考虑光行时校正的高精度全球导航卫星系统测速算法

全球导航卫星系统(GNSS)测速算法认为多普勒测量值为接收机与GNSS卫星的相对运动速度在视线方向上的投影,未考虑光行时的影响,存在一个微小的系统性偏差,测速精度不高,限制了其在精密测速领域中的应用。在传统的GNSS测速算法基础上,给出了一至三阶的积分多普勒插值算法,用瞬时多普勒替代了平均多普勒,对于低轨道地球卫星(LEO)用户,使用二阶插值积分多普勒的测速精度较使用平均多普勒的测速精度提升了三个数量级;另一方面考虑了光行时的影响,修正了因收发时刻不一致引入的多普勒偏差,并分别给出了地球惯性坐标系(ECI)和地球固连坐标系(ECEF)下的修正算法,实验结果表明,光行时修正算法降低了系统性偏差,三维速度误差的均方根(RMS)降低至3.3mm·s-1,能够满足高精度测速的应用需求。

全球导航卫星系统数据预处理软件设计及实验教学应用

全球导航卫星系统(GNSS)数据预处理是GNSS实验教学的基本知识要求,通过数据预处理可以检验观测任务是否达标,也可为数据处理提供“干净”的观测值。但是目前常用的GNSS数据预处理软件存在操作繁琐、交互性差和可视化薄弱等问题,制约着实验教学质量的提高。通过分析各GNSS数据预处理软件的特点,采用Python语言设计了一款可视化GNSS数据预处理软件,该软件具备数据下载、数据编辑和质量评估等预处理功能,还可提供时间转换、坐标转换和在线精密单点定位(PPP)服务等辅助功能。实践结果表明,在实验教学中使用该软件能够减轻学生数据处理中的重复劳动,激发学生参与实验的积极性和主动性,为构建高质量实验教学体系提供必要的软件支撑。

复杂城市环境下的全球导航卫星系统/捷联惯性导航系统组合导航算法

针对复杂城市环境下,全球导航卫星系统(GNSS)信号出现频繁短暂失锁或拒止时,对GNSS/捷联惯性导航系统(SINS)组合导航系统的导航精度和鲁棒性影响较大问题,该文提出一种改进的因子图滤波方法。首先使用GNSS接收机内部参数构建信号误差鉴别函数,能实时估计出信号受多径干扰、遮挡等情况下的信号测量性能;同时利用载体运动约束条件构造零速修正因子,对GNSS拒止情况下的系统状态进行更新,避免系统导航性能极速下降。实验结果表明,改进的因子图方法相比经典因子图方法,在城市复杂环境下能提高定位精度63.50%和测速精度42.26%,同时也具有更低的存储量和计算复杂度,特别适用于城市车辆辅助驾驶导航设备中,对导航精度、硬件资源和实时性约束强的场景。

基于PSO-Elman神经网络BDS导航卫星钟差预报

卫星钟差是导航定位系统定位精度的重要影响因子之一.针对北斗卫星导航系统(BDS)精密钟差预报性能寻优问题,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法优化Elman神经网络的钟差预报模型方法(PSO-Elman模型),以解决Elman神经网络局部最优问题对钟差预报结果的影响.首先对钟差产品进行预处理;然后通过PSO算法迭代寻优确定Elman神经网络权值、阈值的初始值,并将进行预处理之后的序列数据进行训练建模;再采用武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据分析中心(WHU)提供的BDS精密钟差产品数据进行钟差预测;最后将预测结果还原为预报钟差.结果表明:对比于二次多项式(QP)模型、附加周期项多项式(SA)模型、灰色(GM)模型,PSO-Elman模型精度分别提高90.7%、84.2%、81.6%,稳定度提高85.3%、76.3%、36.1%.实验表明:PSO-Elman模型在1~12 h短期预报模拟结果的预报精度和稳定性有显著提高,验证了提出方法的可行性.

基于轨迹数据的导航卫星时空可视性分析研究

全球导航卫星系统是重要的时空信息基础设施,导航卫星的可见数是进行导航卫星定位精度评估的重要依据﹒长期以来,卫星可视性分析主要通过定量观测与实地测量的方式获取,其评估的范围相对有限,无法对城市尺度开展大范围的可视性评价﹒基于此,本文提出了一种基于车辆轨迹数据的大尺度城市导航卫星时空可视性分析方法,即:对轨迹数据进行预处理(包括轨迹数据简化和轨迹点的路网匹配),然后对处理后的数据进行导航卫星时空可视性分析,并通过上海市真实轨迹数据对其进行了验证﹒结果表明:该方法能够快速发现导航卫星高可见区域和低可见区域.

全球导航卫星系统干扰排查典型案例分析

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS),又称全球卫星导航系统,是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。本文通过河北省工业和信息化厅保定无线电监督执法局开展的一系列全球导航卫星系统干扰排查典型案例,对此类无线电干扰的排查方法和形成原因进行了分析与研究。