卫星导航空间信号用户测距误差评估方法

空间信号(SIS)精度是卫星导航系统的基本性能之一,而卫星的用户测距误差(URE)是SIS精度的重要指标。基于轨道误差及钟差误差研究了GPS(全球定位系统)和BDS(北斗卫星导航系统)的SIS URE评估方法,并利用实测数据评估了GPS和BDS的SIS性能。验证结果表明:GPS的SIS URE均优于2.2 m,BDS SIS URE除GEO-01和GEO-04卫星外均优于2.5 m,符合GPS标准定位服务性能规范(2008年)及北斗卫星导航系统公开服务性能规范(1.0版)对SIS URE的指标要求。

北斗卫星导航系统空间信号用户测距误差计算方法研究

按照空间信号用户测距误差(User Range Error,URE)定义,参考GPS标准定位服务性能规范中URE的计算方法,结合北斗卫星导航系统(BDS)多星混合星座类型,在考虑仰角限制情况下,详细推导了适用于BDS的瞬时URE和均方根URE计算公式。利用广播星历和精密星历计算的卫星轨道误差和卫星钟钟差,带入所推导的公式,对BDS URE进行分析评估;并使用GNSS接收机原始观测量和伪距观测方程计算BDS URE,最后将两种计算结果进行对比分析。研究结果表明,两种方法 BDS URE的计算结果基本一致,在95%置信度情况下均小于2.5m,满足北斗公开服务性能规范中对空间信号URE的基本要求。

基于星间链路的分布式导航自主定轨算法研究

针对脱离地面支持自主定轨的导航应用需求,提出了基于星间链路双向测距的自主导航定轨算法。文章分析了导航星座星间链路双向伪距测量模型,给出了分布式自主定轨数据流程,设计了导航星座基于星间链路分布式自主定轨算法。根据国际卫星导航服务组织公开的真实GPS系统事后精密星历,对本文设计的自主定轨算法进行仿真验证,结果表明:采用该设计的自主导航算法在自主定轨90天末期,用户测距误差(URE)达到30m左右,验证了该设计的自主定轨算法具有较高的自主定轨精度。

利用分步Kalman滤波器的自主定轨信息融合算法

将星敏感器/红外地平仪的天文定轨信息与星间观测进行信息融合是消除基于星间链路自主定轨中星座整体旋转问题的有效途径。针对两种定轨方法精度相差较大导致融合效果较差的问题,提出了一种分步Kalman滤波算法。该算法利用星敏感器观测信息能够有效修正旋转参数的特点,将星敏感器观测信息和星间观测信息进行分步处理和最优信息融合以消除自主定轨算法中存在的星座整体旋转误差,提高定轨精度。通过对Walker星座的仿真表明,利用提出的分步Kalman滤波信息融合算法,星座自主定轨60天后星座URE误差能够稳定在1.5米以内,且能有效消除星座整体旋转误差。

基于BP神经网络的自主定轨自适应Kalman滤波算法

针对Sage-Husa自适应滤波方法存在的窗函数开窗大小选择问题,提出一种基于BP神经网络学习估计系统协方差矩阵的自适应Kalman滤波算法。该算法以Kalman滤波预测残差向量作为网络输入,通过网络分段离线学习确定预测残差向量与预测残差协方差矩阵间的非线性关系,自适应地估计Kalman滤波系统协方差矩阵。将其应用到自主定轨系统,仿真结果表明利用本文算法自主定轨60天星座平均URE误差小于1.9米,且能够快速跟踪到系统噪声的突变,较Kalman滤波方法和Sage-Husa自适应滤波方法具有更好的性能。

导航卫星历书参数拟合改进算法

该文对导航卫星历书拟合问题进行了综合研究,结合J_2项分析解,提出了一种新的卫星历书拟合方法和用户算法。该方法只需下列参数表示历书:Week、T_(oa)、a、e、i、Ω_0、ω0、M_0,比正常的GPS卫星历书参数少一个:Ω。用户算法可以根据一阶摄动理论,由新历书参数a、e、i计算Ω,并对MEO、IGSO、GEO卫星的历书参数近地点角进行改进。通过多组模拟轨道和IGS精密轨道的历书拟合实验,结果表明采用新方法具有参数少、计算量少、迭代收敛快、拟合MEO卫星历书精度高等优点,同样适用于高轨GEO、IGSO卫星。

北斗卫星导航系统SISURE初步评估

北斗导航系统自2018年12月27日提供全球服务以来,其服务性能受到了极大关注.以上海天文台iGMAS (International GNSS Monitoring&Assessment System)分析中心发布的精密轨道、钟差产品作为基准,评估了2019年年积日3-12d的北斗二号、北斗三号以及GPS广播星历的轨道、钟差和空间信号用户测距误差(Signal in Space User Ranging Error, SISURE,简称为URE),并且对北斗卫星导航系统结果进行了详细的分析.结果表明:在评估时间段内,北斗三号广播星历轨道精度、URE均明显优于北斗二号,且部分结果优于GPS.北斗三号广播星历轨道径向精度最高,优于0.2m.北斗三号全部卫星URE均值优于0.4m, URE RMS (root mean square)优于0.5m.北斗二号每颗卫星URE均值、95%URE (置信度为95%的URE)、URE RMS小于2m,北斗三号每颗卫星URE均值、95%URE、URE RMS小于1m,均达到了系统公开承诺的服务性能标准.

基于拉格朗日插值法的卫星导航空间信号精度评估算法

卫星导航空间信号精度是卫星导航系统的基本性能之一,为评估GPS和BDS卫星导航系统空间信号精度,研究了拉格朗日插值模型。采用插值精度和效率较高的十阶拉格朗日滑动插值法对IGS精密星历数据进行内插计算,使用本地接收机采集到的广播星历数据作为实测数据,并对GPS和BDS的空间信号精度进行了评估。结果表明,基于本地实测数据的GPS和北斗SIS URE满足GPS和北斗导航系统标准定位服务性能规范的指标要求,对应的URRE和URAE均优于对应接口文件中的指标。

不同尺度范围的监测网对星基增强服务性能的影响分析

区域监测站提供的星基增强完好性监测服务在民用航空等生命安全领域发挥着重要作用。为了分析利用不同尺度监测网估计的完好性信息对用户服务性能影响,使用等效钟差方法分别实现三种不同尺度的监测网完好性参数估计,并进行增强定位验证。从增强卫星数目、用户测距误差、定位精度和保护级包络特性方面研究不同尺度的监测网对用户服务性能评估的影响,结果表明:与小尺度和中等尺度区域相比,大尺度区域增强卫星数目分别增加了50.7%、33.7%。与广播星历伪距单点定位相比,基于小、中等和大尺度区域监测网估计的改正数增强定位在水平方向定位精度分别提升了33.08%、33.59%和32.54%,垂直方向定位精度分别提升了36.56%、41.07%和43.86%。三种尺度估计的平均用户测距误差均优于0.3 m,保护级水平对定位误差的包络均能达到95%。研究成果可为区域星基增强监测网的选择提供理论支撑和应用依据。

基于iGMAS的BDS空间信号精度性能评估

全球连续监测评估系统(international GNSS Monitoring&Assessment System,iGMAS)是我国为了向导航用户提供安全可靠的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)服务而搭建的对导航性能指标进行监测和评估的平台。在卫星导航系统中,空间信号精度的优劣直接决定卫星导航的定位精度,因此对空间信号精度的评估十分必要。此次研究基于iGMAS提供的广播星历和精密星历产品,通过分段法求得用户测距误差,然后使用差分法分别求得用户测速误差和用户加速度误差。实验结果表明,用户测距误差、用户测速误差、用户加速度误差均达到国际精度(95%置信度),iGMAS下的广播星历数据可作为评估空间信号的数据来源;我国的iGMAS已经较为成熟,可作为评估空间信号精度的平台。

基于半长轴补偿的广播历书参数改进计算方法

基于全球定位系统(global positioning system,GPS)历书参数忽略了卫星轨道近地点角的变化,无法准确描述中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星轨道的长期变化规律,直接使用历书参数进行最小二乘拟合的传统方法无法取得较高精度等问题,针对非历书长期改正项对位置计算的影响进行分析,提出一种基于半长轴补偿的广播历书改进计算方法。对拟合历书增加角速度变化量,并利用其对半长轴平方根进行补偿从而获得广播历书参数。研究结果表明:通过此方法拟合6 d卫星轨道数据,位置误差为数千米,用户测距误差(user range error,EUR)小于900 m,比传统直接历书拟合方法精度提高1倍以上;改进法获得的历书外推8 d的用户测距误差小于3 km,采用传统方法获得的历书用户测距误差达8 km。

临近空间伪卫星定位精度仿真分析

基于临近空间的伪卫星具有非常显著的定位优势,提出了基于临近空间飞艇定位的伪卫星方案。通过理论分析,设计了基于4颗伪卫星的最佳布局方案;通过仿真计算得到了伪卫星覆盖区域内各点的几何精度因子;通过对伪卫星的星历误差、星钟误差和对流层延迟误差等主要误差源的分析,计算得到了基于飞艇伪卫星的定位测距误差,并给出了伪卫星覆盖区域内用户的定位误差。仿真结果表明,基于临近空间的伪卫星具有较好的定位精度,可以满足区域导航定位的精度要求。

GLONASS软件接收机设计、实现与性能验证

近年来GLONASS更新速度加快,并在全球布设地面站,服务性能大幅提升,2019年8月中俄兼容互操作协定的签署,使GLONASS再次被研究者关注。研究了GLONASS导航信号的捕获、跟踪、星历提取及定位解算方法,设计并开发了GLONASSL1OF信号软件接收机,实测数据定位结果水平精度±6米,高程精度±8米,50%可能性的水平圆误差为2.7272m。分析了GLONASS信号测距和定位性能,在载噪比≥47.60dB时,伪距拟合差≤5m,同URA下,HDOP在2.1736~3.4812范围变化时,水平定位偏差标准差波动7.4092m。经分析精度衰减因子(DOP)和用户测距误差(URE)是最终定位误差主要影响因素。

北斗系统UERE及定位精度评估

用户测距误差(URE)与用户设备误差(UEE)是影响定位精度的主要因素.民航是北斗系统的高端用户,监测其对民航机场的覆盖性和服务性能十分必要.本文根据华东、华南、华北、西北地区4个民航机场观测站的北斗实测数据,分析了各机场卫星的可见性.根据URE的解算方法、电离层修正模型、对流层修正模型以及定位精度的评估方法,给出了对应的性能评估结果.研究发现:可见星数均在6～14颗,满足定位要求;95%置信度下,电离层延迟优于7.50 m,对流层延迟优于13.28m,地球静止轨道卫星(GEO)、倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)、中圆轨道卫星(MEO)卫星的URE值分别优于2.36 m, 1.72 m, 2.59 m,满足北斗规范的要求;95%置信度下,定位精度水平方向优于3.63 m,垂直方向优于6.98 m.结果表明北斗系统在民航机场监测站的覆盖性及服务性能良好.

一种快速的集中式自主定轨新算法

针对导航星座自主定轨,提出一种提高集中式算法效率的新思路,即充分利用高频、高精度的星间链路测距信息,在短弧内将卫星最优轨道与长期预报轨道的差异用多次曲线描述,得到卫星位置和速度的最佳估值。此方法无需动力学建模和计算状态转移矩阵,因此算法极为简洁。同时,对于自主运行期间缺乏空间基准,提出约束轨道升交点赤经的方法,以减小对地面系统的依赖程度。仿真结果表明,导航星座自主运行60 d,不考虑地球自转参数(EOP)长期预报误差,在无锚固站的情况下,链路数不少于5条时能够达到轨道URE优于1 m,位置3 m,速度毫米级的定轨精度。最后,通过比对验证了新算法比已有EKF分布式自主定轨算法的效率更高。

北斗星基增强在多场景下的定位分析

星基增强系统是全球卫星导航系统的重要组成部分。文章首先介绍我国北斗星基增强系统的系统组成和星基差分改正数。随后,介绍基于北斗星基增强差分改正数的北斗增强定位算法。最后,建立实验分析北斗卫星可见性,讨论星基增强改正数的分布特性,进而分析北斗星基增强定位在2种观测场景下的定位性能。实验结果表明:观测点可以全时段接收北斗星基增强信息,从而保证星基增强系统的可用性;北斗星基增强在开阔和遮挡环境下,定位性能明显优于北斗经典定位。

GNSS空间信号完好性评估与分析

随着卫星导航系统的不断发展和完善,在定位精度提升的同时,系统完好性的研究受到越来越多的关注。2020年,北斗卫星导航系统已提供全球服务,完好性作为导航服务性能的重要指标有着重要意义。因此,基于导航系统完好性的算法研究理论,对北斗卫星系统的完好性性能进行分析评估。采用国际GNSS监测评估系统(iGMAS)提供的导航数据,分析了用户等效测距误差(UERE)对GNSS空间信号完好性的影响,以及各GNSS系统空间信号完好性状态。结果表明,在用户等效测距误差精度方面,BDS优于2.66m,GPS优于4.53m,Galileo优于17.99m,GLONASS优于14.40m;在系统完好性状态方面,GPS最优,BDS-3优于BDS-2。

利用锚固站时序差分测量消除星座旋转误差

地面锚固站能够有效解决自主定轨中存在的星座整体旋转问题,但由于星地链路存在电离层延迟、对流层延迟等较大的测距系统误差,引入锚固站后的自主定轨精度较差。针对这一问题,本文提出了一种地面锚固站时序差分测量方法,利用短时间内导航卫星星地链路测距系统误差变化较小的原理,对同一测距链路前后不同观测历元的测距值进行差分。仿真结果表明,利用两个或两个以上地面锚固站单历元差分观测或者一个地面锚固站多历元差分测量可以有效抑制星座的整体旋转,且差分测量较直接测量方法有更高的自主定轨精度。

SBAS GEO卫星URE精度及定位增强研究

分析星基增强系统(satellite based augmentation system,SBAS)地球同步轨道(geostationary Earth orbit,GEO)卫星用户测距误差(user range error,URE),研究GEO卫星测距对导航定位性能的影响,可为SBAS系统设计和民航应用提供有益参考。利用广域增强系统(wide area augmentation system,WAAS)、北斗星基增强系统(BeiDou SBAS,BDSBAS)、GPS辅助静地增强导航系统(GPS aided GEO augmented navigation, GAGAN)和多功能卫星增强系统(multi-functional satellite augmentation system,MSAS)的SBAS信息对GPS和GEO卫星星历、时钟和观测值进行改正,固定测站位置,根据改正数残差方差加权计算接收机钟差,得到GEO卫星测距误差;将GEO卫星观测值纳入SBAS定位解算,评估GEO卫星测距对定位结果的影响。通过实测数据分析可知,WAAS GEO卫星URE优于1.6 m;BDSBAS 3颗GEO卫星分别存在14.32 m、12.64 m和17.44 m的系统偏差,经系统性误差改正后,GEO卫星URE优于2.9 m;GAGAN和MSAS GEO卫星URE分别优于13.9 m和3.2 m。当GPS卫星数较少时,联合GEO卫星观测值进行SBAS解算能够有效减小定位保护级,提升系统可用性。

BDS-2与BDS-3卫星空间信号精度评估

针对BDS-3现有卫星空间信号精度评估问题,该文以BDS-2和BDS-3卫星为研究对象,介绍了BDS卫星空间信号精度评估的方法,基于MGEX发布的2019-05-01—2019-05-31日连续31d的广播星历与WUM分析中心的精密星历产品对33颗BDS卫星的轨道误差、卫星钟差、用户测距误差(URE)和空间信号测距误差(SISRE)进行精度评估。研究结果表明:BDS-2中,IGSO与MEO的轨道精度优于GEO,径向精度优于切向和法向;星载钟差均值优于12.1ns;URE和SISRE均值分别优于1.0和1.2m;BDS-3MEO卫星轨道径向、切向、法向均值分别优于0.2、0.8、0.4m,径向和法向比BDS-2 MEO分别提高45.8%与21.1%;BDS-3卫星星载钟差均值优于7.7ns,比BDS-2提高36.2%;BDS-3的URE和SISRE均值分别优于0.6和0.5m,比BDS-2分别提高42.9%和47.4%。