“北斗”卫星导航系统稳定运行及可用性提升方法

“北斗”卫星导航系统是我国建设的首个巨型复杂星座系统,为确保系统高效、健康、稳定运行,其星座运行管理要求极高。为更好地开展在轨管理工作,提升对“北斗”卫星运维的支持能力,强化保障系统稳定运行的技术手段,加强与运控、测控、星间链路管控等各地面系统之间的信息共享与沟通协同,研制并建设了“北斗”卫星在轨技术支持系统,并采取了多种方法有效提升了“北斗”系统可用性。“北斗”卫星在轨技术支持系统实现了卫星在轨遥测数据、地面测试数据、运行业务数据、第三方在轨服务监测数据等的互联互通,具有导航星座在轨状态管控、健康评估、风险评估、故障诊断及处置等功能,该系统的应用有力保障了“北斗”导航系统的连续、可靠、稳定运行。

“北斗”卫星导航系统服务演进及展望

“北斗”三号全球卫星导航系统自正式开通服务以来,在国民经济、国防安全、人民生产生活等方面发挥了至关重要的作用。本文介绍了“北斗”系统服务体系构成,围绕路线设计继承发展、服务功能高度集成、增量发展螺旋上升三大特点,总结了“北斗”系统定位导航授时、报文通信、导航增强与国际搜救四类服务演进,详细论述了各服务的设计特点和性能,结合全球卫星导航系统新一轮变革研判了“北斗”系统服务发展趋势,并从系统稳定运行、服务性能提升、多手段融合赋能三大方面提出了发展建议。

基于“北斗”系统的高中低轨融合导航性能提升研究

面向日益增长的导航定位授时服务需求,本文研究了“北斗”系统与低轨卫星系统融合发展的方案,提出了融合星座系统发展路线。基于“北斗”系统的核心导航星座高精度时空基准、星间互联,实现低轨卫星快速的时空基准溯源以及“北斗”与低轨星座间的信息互联,构建以“北斗”系统为核心,低轨卫星系统为扩展的融合星座,借助低轨卫星数量多、全球监测、观测几何变化快的特点,进一步提升导航服务性能,实现效益最大化。

基于“北斗”差分的双基SAR高精度时频同步方法

为了满足分布式平台协同探测和双基地合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)目标成像对时频同步的高精度应用需求,提出了一种基于“北斗”导航卫星观测单差的时频同步方法。该方法基于伪距单差计算得到平台间的相对钟差,并通过载波相位观测单差的前后历元差消除单差整周模糊度,计算得到相对频率误差。静态实测和动态模拟测试结果表明,该方法可以实现固定时间同步误差优于5 ns,线性时间同步误差优于2×10^(-3)ns/s,二次时间同步误差优于10^(-6)ns/s^(2),固定频率同步误差优于0.01 Hz,线性频率同步误差优于10^(-5)Hz/s的精度,满足实际工程应用的要求。在该时频同步方法的基础上,开展了双基SAR目标成像质量仿真分析,验证了算法的可用性,可以保证分布式协同系统的动态、实时和高精度时频同步应用。

“北斗”短报文通信现状与发展

“北斗”短报文通信是中国导航卫星的一项特色能力。“北斗”短报文具有区域短报文和全球短报文两种服务模式,为用户提供包括单向位置报告、应急搜救和端到端双向报文通信业务。目前,“北斗”短报文已得到广泛应用,而且随着应用技术不断开发、应用需求的持续拓展,未来“北斗”短报文应用领域将具有深远的应用前景,能大幅度提高社会经济效益。

“北斗”卫星导航系统服务性能监测评估与展望

“北斗”三号卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统,自2020年系统开通至今服务稳定可靠,为全球用户提供了优异的导航、定位和授时服务。本文利用实测数据从覆盖能力、空间信号精度、可用性、连续性和定位精度五个方面对“北斗”系统的指标进行了分析,结果表明“北斗”系统各项服务性能指标均处于国际领先水平。此外,针对行业需求不断发展,卫星导航技术持续演进的趋势,对“北斗”系统服务性能提升的方向进行了展望,以期对下一代“北斗”系统的发展建设提供参考。

数字经济时代的“北斗”应用发展与产业生态演进

随着我国数字经济的蓬勃发展,“北斗”精准时空数据的价值越来越受到重视,“北斗”应用与产业化发展也迎来了前所未有的机遇。通过与数字经济相结合,“北斗”系统已经在行业领域和大众领域打造了众多数字化应用场景。进一步推动“北斗”规模化应用和产业健康发展,形成新的应用产业生态体系,有助于让时空服务成为我国数字经济发展新的强大动力,从而赋能各领域产业数字化进程。本文结合当前“北斗”应用与产业发展现状和数字经济发展形势,重点围绕“北斗”应用产业生态未来演进变化趋势等问题进行探讨,提出相关认识和建议,以期为我国综合时空体系的建设和发展提供有益借鉴。

基于“北斗”三号PPP-B2b的定位与时间传递

随着“北斗”三号的建成以及通过GEO卫星进行播发的PPP-B2b信号的公布,“北斗”卫星的定位与定时精度再一次得到提升。为了研究PPP-B2b的定位精度以及时间传递性能,开展了对“北斗”三号的PPP-B2b相关实验。首先选取亚太地区的6个测站静态与动态精密单点定位E(East)、N(North)、U(Up)方向上的误差分析,然后又选取了NTSC与USUD测站进行时间传递稳定度分析。定位结果表明,B1I/B3I组合与B1C/B2a组合的PPP-B2b静态定位E方向、N方向、U方向RMS值分别在4.58 cm,5.34 cm,2.2 cm与4.18 cm,4.97 cm,2.22 cm,B1I/B3I组合与B1C/B2a组合的PPP-B2b动态定位E方向、N方向、U方向RMS值分别在17.99 cm,19.41 cm,12.72 cm与22.47 cm,21.61 cm,15.11 cm,两种组合表现出定位精度的一致性。PPP-B2b零基线共钟的时间传递普遍在1 ns内波动,时间传递的STD为0.203,10^(5) s的稳定度达到了5.336×10^(-15);PPP-B2b长基线的时间传递普遍在5 ns内波动,时间传递的STD为1.585,10^(4) s稳达到了3.55×10^(-14)。因此,B2b产品能够满足亚太地区厘米级定位以及纳秒级授时的要求。

一种“北斗”卫星导航系统三频周跳探测与修复方法

针对传统伪距-相位组合中伪距噪声过大的问题引入了多普勒观测值进行辅助,同时再联合无几何相位组合构成一种新的周跳探测与修复方法。在信号方面,选择B2a代替B2I,与B1I、B3I组成了“北斗”卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System, BDS)中定位性能更好的“北斗”三频观测组合。在选频方面,选用无几何相位系数[-1,1,0]、多普勒辅助伪距-相位系数[1,0,-1],[1,3,-4]组合进行周跳的探测。在修复方面,使用搜索法进行周跳的修复,并根据1-范数原则确保修复值的准确性。在1 s的采样率、电离层延迟稳定情况下,所提方法不仅能探测与修复出所有加入的1周在内的周跳,而且相比传统伪距-相位方法在小周跳探测方面性能更佳。

“北斗”卫星导航系统在气象领域的应用

2011年，总装备部和中国气象局联合启动了基于“北斗”导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程该项目主要包括高空气象探测、地面水汽电离层监测、海洋气象探测领域和气象信息发布系统通过研发相关业务设备、应用软件，形成一系列相关的规范和标准，全面提升我国导航卫星气象观测水平，为气象预报提供高精度、高时间分辨率、高可靠性的观测资料；对提高气象预警、预报能力，促进我国“北斗”卫星导航系统（以下简称“北斗”系统）在气象领域的推广应用具有重要意义。

“北斗”导航系统在海洋水文、气象监测系统中的应用

“北斗”导航系统是具有我国自主知识产权的卫星导航系统 ,该系统具有快速定位、双向通信和精密授时三大功能 ,可以代替当前的 Inm arsat- C和 ARGOS系统在海洋监测平台中的应用。文章介绍了“北斗”系统在我国当前的海洋水文、气象监测平台的应用 ,并对“北斗”系统在我国海洋监测平台上的广泛应用提出了建设性意见。

“北斗”卫星导航系统在低空空域监管系统中的应用

从GPS和"北斗"两套卫星导航系统入手,建立了低空空域监管系统,分为GPS定位、"北斗"卫星通信、低空空域飞行器机载设备、地面控制中心四大模块。随着新一代"北斗"卫星导航系统的组网和完善,可以完全摆脱GPS,只利用"北斗"系统来实现低空空域的导航与检测,建立一个产权自主、功能完善、管理便捷的监管系统,在解决高空交通拥堵难题的同时创造巨大的社会经济效益。

基于“北斗”卫星导航系统的长报文通信协议

"北斗"卫星导航系统已经广泛应用在海洋、气象、水利和农业等领域中,利用短报文方式传输各类观测数据。文中介绍了一个基于"北斗"卫星导航系统的长报文通信协议,很好地解决了利用"北斗"卫星导航系统长报文传输时存在的数据丢包问题。

“北斗”卫星导航系统仿真与全球覆盖分析

为了解"北斗"卫星导航系统(BDS)的星座分布及其正式运行后卫星在全球范围内的覆盖情况,依据BDS卫星轨道参数,使用卫星工具包(STK)构建了完整的BDS空间星座,对BDS卫星轨道信息、可见性以及对地覆盖品质进行分析。在对可见性及覆盖品质的分析中,分别仿真分析了在4个不同的城市和全球范围进行观测得到的几何精度因子(GDOP)和导航精度等参数性能。研究结果对分析BDS系统的服务性能以及提高BDS的导航精度有一定的参考意义。

多SIM卡复用的“北斗”通信终端设计

为了扩大"北斗"一代终端的应用范围,降低使用成本,提出了一种多SIM卡复用的"北斗"终端设计方案。采用FPGA+ARM的硬件结构,将SIM卡增加至多张,通过软件设计实现数据自动分片和多张SIM卡的协同工作,提高"北斗"终端的数据传输速率。该方法已成功运用于野外油气井远程监控系统中。

“北斗”导航系统和无线电台在无人机监控系统中的应用

针对GPS系统为美国军方控制的现状,研究了以我国已具备区域导航定位的能力的"北斗"卫星导航系统和无线数传电台为核心的无人机状态监控系统。系统以MSP430系列处理器为控制单元,利用UM220"北斗"导航接收机获取无人机的状态信息,通过无线数传电台EL805将机载信息发送至地面监控中心以及接收地面监控中心的控制指令,并利用虚拟仪器软件LabVIEW开发无人机监控平台,实现无人机飞行姿态的监控。引入范数的概念对"北斗"导航定位性能进行分析。实验测试表明,该系统运行稳定,人机交互界面良好,信息化程度较高。本研究对摆脱GPS,利用"北斗"实现无人机和通用航空飞机的导航和监控具有一定的参考价值。

基于“北斗”的战场移动装备域间身份认证方法

为了实现对移动装备在不同管理域间切换时身份的快速、安全认证,基于"北斗"卫星导航系统所提供的安全可靠的短报文通信功能和高精度的授时功能,提出了一种基于"北斗"的战场移动装备域间身份认证方法,设计了基于"北斗"的战场移动装备域间身份认证体系结构和战场移动装备域间身份认证协议。该认证体系采用两级认证机制。整个移动网络通过"北斗"系统的高精度授时实现全网时钟的精确同步,将"北斗"系统提供的时钟信息作为时间戳加入到身份认证信息中,并利用"北斗"系统传输身份认证信息。经过对协议的安全性分析表明,该协议安全可靠,可以实现域间身份认证时新管理域中的认证中心与移动装备的双向认证,也可以实现移动装备的匿名认证,同时具有抗重放攻击能力。此外,该协议有效地减小了家乡域认证中心的开销。

弱信号下“北斗”接收机NH码的快速捕获

在全球卫星导航系统(GNSS)中,延长相关累积时间可以有效提高弱信号捕获灵敏度,但是"北斗"中圆地球轨道/倾斜地球同步轨道(MEO/IGSO)卫星信号的捕获性能很大程度上受到二次编码(NH)码的影响:调制NH码的信号在每一个码元周期(1 ms)内都有可能发生跳变,对相关累积时间造成一定影响,从而会导致系统捕获灵敏度的下降。为此,提出了一种针对NH码的码元遍历搜索算法,通过遍历累积时间内NH码的所有组合,消除NH码码元引起的误差。实验结果显示,所提算法可以在一定程度上提高卫星信号的捕获成功率,尤其可以至少提高2 d B弱信号的捕获灵敏度。同时,算法可以为信号跟踪提供更加准确的载波频率。

厘米级“北斗”相对定位的试验验证

随着我国"北斗"卫星导航系统的发展,"北斗"精密相对定位的应用市场日益拓展。在动态对动态环境中,将基准站与移动站分别设在不同的车辆载体上,验证了"北斗"实时动态相对定位的精度。平台跑车和省道跑车结果显示水平相对定位误差和天向相对定位误差都在厘米级,表明"北斗"系统性能完全满足高精度应用的需求,能替代相应应用领域的全球定位系统(GPS)。

基于“北斗”卫星的四级车辆指挥管理系统研究

结合"北斗"卫星定位系统的原理和特点,提出了一种基于我国自主研制双星定位系统的四级车辆指挥管理系统的设计,并分析了其组成、主要功能和特点,该系统能有效地对多辆车实行实时管理与监控,有效地提高车辆的指挥管理效率。