基于北斗导航系统的全球天基测控技术

结合航天测控网的发展规划,对全球天基测控问题及任务需求进行分析。根据北斗导航系统的组成和任务支持能力,剖析应用北斗导航系统支持全球天基测控的通信过程。基于北斗全球导航系统组成,设计三种星座支持的通信方案,并给出了基于北斗导航系统的全球测控任务规划和结论。

船用北斗导航系统终端定位性能的检测验证

为解决当前船用北斗导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)终端产品检验验证方案科学性不足和规范化欠缺的问题,针对因试验规定要求不明确而无法确定定位评估起始点的情况,明确给出BDS样机启动时间判定方案;针对干扰试验验证数据采集要求存在歧义的现象,提出通过重捕获测试确定数据采集要求的方法;针对动态测试时间规定不便于实际操作的现状,提出通过对BDS样机进行动态测试,得出合理的动态试验测试时间;针对静态定位测试中定位信息丢失的现象,提出在连接链路中增加功率放大装置的方案;针对动态定位测试中场景切换后无法正常定位的现象,提出在每一项测试前清空被测试示位标内部信息的方案。验证结果表明:提出的检测验证方法有助于满足BDS技术要求和对关键性能的检测验证要求。

GPS/BDS组合导航系统的精密单点定位模型

为了改善单卫星导航系统由于卫星数量较少,导致定位误差高的问题,设计全球定位系统(GPS)/北斗卫星导航系统(BDS)组合导航系统的精密单点定位模型:线性组合处理GPS与BDS的伪距和载波相位观测值,并构建GPS/BDS组合导航系统的组合观测值;接下来利用协方差成形自适应卡尔曼滤波方法,对组合导航系统导航过程中的卫星钟差、电离层延迟等误差实施滤波;再利用滤波处理后组合导航系统的广播星历,获取卫星轨道以及钟差;然后利用经验模型修正对流层延迟,获取相位观测值与伪距的综合改正数;最后利用综合改正数修正组合导航系统的观测方程,构建精密单点定位模型。实验结果表明,GPS/BDS组合导航系统采用所构建模型进行精密单点定位,不同方向定位误差均低于10 cm,证明了提出模型的有效性。

北斗三号系统全球导航与位置服务技术创新的分析

2020年北斗系统完成全球星座建设,并开始向全球用户提供服务,这为中国产学研单位参与全球导航与位置服务的发展提供了良好的机遇。参与全球导航与位置服务需要依托具有竞争力的创新产品。目前参与全球服务还存在很多短板,本文在全球EB级算力、ZB级数据、Tb级用户需求基础上,提出了卫星导航服务检测与高性能硬可靠服务、信号综合网管拓展室内外无缝覆盖、全球全息地图获取与位置信息聚合、高精度位置网全球服务架构、全空间信息系统构建等五个方面的发展方向。建议推动全球位置服务联盟,联合国际伙伴共同构建全球高精度位置网,实现各自的发展。

北斗导航试验卫星综合电子软件研制管理经验与启示

从软件管理、研制流程、沟通机制、开发模式、配置管理、产品质量6个方面总结了北斗全球卫星导航系统试验卫星综合电子软件研制工作管理实践的主要措施,通过研制成果验证了管理实践措施的有效性,并概括了对北斗全球卫星导航系统组网建设及其他后续卫星的软件研制的启示。

基于省级区域地基增强系统的北斗三号系统卫星数据评估分析

导航卫星观测数据质量是影响地面增强系统定位精度的直接因素,北斗地基增强系统经过北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)适配性改造后能够获取的卫星观测值数量相较北斗二号卫星导航系统(BDS-2)适配改造提升了30%~50%,对这些观测数据的质量评估和分析尤为重要.本文利用数据完整率、多路径误差等基准站观测值质量评估方法,使用零基线测试和精密单点定位(PPP)测试两种方法,提出一种综合区域地基增强系统的BDS-3数据分析方法.对研究区域进行实证试验,结果表明:BDS-3卫星在亚太地区的数据质量已经与GPS相当;由于BDS-3卫星空间分布结构更优,地面测站可以获得的高仰角(高度角>50°)可用观测值较单GPS提升了200%以上.

BDS-3全球短报文2种低轨卫星几何法定轨

针对低轨卫星实时在线精密定轨难以获取实时改正数问题,提出基于北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)全球短报文播发距离改正数和状态空间表达(SSR)改正数的低轨卫星精密定轨方法。基于提出的距离改正数和SSR改正数编码播发方案,利用Swarm A卫星7 d星载全球卫星导航系统(GNSS)数据进行验证,从定轨精度以及处理效率2方面进行分析,结果表明:基于BDS-3全球短报文播发的改正数可以实现低轨卫星几何法定轨精度约为0.1 m,且基于SSR改正数的低轨卫星定轨精度优于距离改正数。非差非组合模型的定轨精度略优于无电离层(IF)组合定轨精度;当BDS-3全球短报文通信成功率为90%时,定轨精度下降约15%。在处理效率上,IF组合较非差非组合提升明显,2种方法在主频为1.6 GHz的个人笔记本上单历元处理时间均小于0.003 s。

北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析

目前,北斗全球卫星导航系统有5颗试验卫星发射试验信号。试验卫星数据质量分析是北斗全球系统信号体制验证的重要内容。基于单测站北斗试验卫星观测数据,采用伪距相位差组合和伪距多径组合方法,初步分析了试验卫星民用信号以及Bs频点信号伪距测量噪声和多径误差。结果表明,倾斜同步轨道卫星伪距测量精度优于中轨道卫星;在各导航信号中,B2a＋b信号伪距测量精度最高,具有最优的抗多径性能;B1C信号伪距测量精度最低,抗多径性能最差;Bs信号伪距测量精度较差,但优于B1C信号,且其伪距多径存在一个与高度角相关的系统误差,在高度角最大时可达0.5m。

北斗三号MEO卫星非保守力建模

非保守力模型精度不高是制约BDS-3卫星定轨精度的主要因素之一。本文针对BDS-3 MEO卫星构建了地球辐射、天线辐射和箱体-两翼(BW)太阳光压模型,对典型的经验光压模型(ECOM1和ECOM2)进行补偿得到多个非保守力模型,收集全球观测网的数据进行定轨试验,通过轨道重叠互差和激光测距残差分析比较不同轨道模型的优劣。试验结果表明,经验光压模型是影响轨道精度的主要因素,在名义偏航模式下,ECOM2具有更好的表现,但ECOM1对卫星的姿态模式更不敏感。地球辐射和天线辐射会引起北斗卫星轨道径向约3 cm的系统性偏差,对二者建模后,几乎可以完全消除卫星C29和C30的激光残差系统偏差,但卫星C20和C21的系统偏差反而增大。此外,增加box-wing模型对于提高轨道精度也是有益的。

北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析

北斗三号全球系统已开始为全球用户提供稳定可靠的高精度定位、导航与授时服务。本文基于我国国家标准时间频率UTC(NTSC)系统,开展北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析,通过实测数据开展研究并试验了北斗三号非差组合载波相位时间比对在零基线与长基线时间比对方面的性能,并在此基础上开展北斗三号与GPS融合载波相位时间比对试验。结果表明,零基线比对中,两接收机共钟比对钟差的标准偏差优于0.3 ns;长基线比对中,利用北斗三号非差组合载波相位时间比对以及融合载波相位时间比对获得的亚欧两守时实验室之间的比对钟差与国际权度局基于GPS时间比对链路获得的钟差具有较好的一致性,钟差的频率稳定度和时间稳定度与国际权度局发布的结果基本一致,且残差的均方根均优于0.25 ns,试验结果满足亚纳秒量级的时间比对应用需求。

北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位性能评估

针对海洋油气勘探、海洋应急救援等应用依赖海洋实时高精度定位,而目前主要采用的商用精密单点定位(PPP)技术的设备与服务成本较高的问题,提出利用我国北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3,文中简称北斗三号)提供的免费实时精密单点定位(PPP-B2b)服务在海洋环境中开展实时精密单点定位的方法:分析北斗三号PPP-B2b导航电文信息格式,并给出北斗三号PPP-B2b精密轨道、钟差计算及伪距偏差改正方法;然后建立基于北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位模型;最后采用海洋实测数据评估基于北斗三号PPP-B2b服务的实时精密单点定位精度,并与NavCom公司的Starfire星站差分PPP定位精度进行对比。结果表明,北斗三号PPP-B2b水平定位精度为7.62 cm,垂直定位精度为13.10 cm,定位精度略低于Starfire星站差分PPP。

导航用L波段行波管放大器在轨可靠性分析

北斗全球卫星导航系统于2020年8月宣布完全建立。在北斗全球卫星系统中共有20颗卫星由CAST Xi’an负责建造有效载荷,导航系统方案选用了L波段行波管放大器作为下行导航信号功率放大器。大规模的国产化行波管放大器在轨应用在我国航天器中尚属首次,是对国产化行波管放大器的工程检验。对批量在轨应用的L波段行波管放大器进行可靠性分析,一方面可以为北斗全球组网卫星在轨稳定运行提供支持,另一方面也可以对国产化行波管放大器的发展提供参考。

北斗三号中长基线定位性能分析

为获取最新BDS-3中长基线定位性能,使用全球不同纬度的7个MGEX站实测数据,使用GAMIT10.7对BDS-3、GPS数据进行解算,综合运用标准化均方根误差、模糊度固定率、基线分量中误差、基线重复性等评价解算结果精度与可靠性。从实验结果可知,BDS-3在水平方向和高程方向都能达到cm级精度,相对精度达到10-8量级,略差于GPS定位精度。

窄带干扰信号对北斗三号B2信号质量的影响

北斗三号全球卫星导航系统正式开通,面对空间电磁环境日趋复杂,地面接收信号功率微弱等问题,强干扰下的B2新信号,对信号质量提出新的挑战及更高的要求。对此,建立了B2信号及窄带干扰信号模型,仿真分析窄带干扰信号在不同中频、带宽、干信比条件下对信号功率谱偏差、相关损耗、S曲线过零点偏差的影响,并用实测信号进行验证。研究结果表明,窄带干扰信号参数变化对信号质量影响较大,干扰环境恶劣时,信号质量明显变差,导致伪距测量误差较大,影响用户定位精度。研究成果可为干扰监测评估及信号质量评估提供参考依据。

基于PPP-B2b改正产品的北斗实时精密星历精度分析

实时改正产品对于北斗实时精密定位和定时至关重要,北斗三号通过PPP-B2b信号播发实时轨道和钟差改正产品。为了验证PPP-B2b改正产品恢复的实时精密轨道和钟差的精度,利用接收机获取的PPP-B2b实时轨道和钟差改正产品对广播星历和广播钟差进行改正,然后以GFZ最终产品作为参考,分析评估了北斗三号MEO(medium Earth orbit)卫星和IGSO(inclined geosynchronous orbit)卫星实时精密产品的精度。试验结果表明:BDS-3卫星R方向实时轨道误差RMS值优于0.1215 m,T方向误差RMS值优于0.2922 m,N方向误差RMS值优于0.3605 m,三维RMS值优于0.6402 m;BDS-3卫星实时钟差误差RMS值优于1.6192 ns,STD值优于0.0920 ns。结果表明:PPP-B2b实时改正产品基本可满足BDS-3实时高精度定位和定时的需求。

北斗三号B2b信号改正广播星历精度评估及PPP应用

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3) B2b信号是由3颗地球同步轨道(GEO)卫星播发改正信号组成,可为用户提供公开、免费的高精度服务,对北斗卫星导航系统(BDS)在国土测绘、海洋测绘以及桥梁建筑物健康监测等领域的高精度应用具有重要意义. BDS-3 B2b信号的精度评估是实现其高精度应用的重要环节.首先利用BDS-3 B2b信号改正广播星历产品,并获得改正后的精密轨道和钟差产品.然后,以武汉大学国际GNSS服务(IGS)分析中心提供的事后精密产品(WUM)为参考,评估了由B2b信号改正后的精密轨道和钟差产品的精度.结果表明:改正后北斗卫星轨道的径向(R)、切向(A)、法向(C)误差的均方根(RMS)分别为6.26 cm、24.21 cm、21.79 cm,钟差差值的标准差(STD)均值为0.33 ns.最后,利用改正后的精密轨道和钟差产品进行精密单点定位(PPP)验证,结果表明:PPP定位东(E)、北(N)、天顶(U)方向精度分别为0.06 m、0.05 m、0.13 m.说明广播星历通过B2b改正后的精密轨道和钟差产品与IGS事后精密产品精度相当,可满足单站实时高精度定位与导航的应用需求.

北斗三号新频点(B1C/B2a)单历元RTK定位性能分析

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a有效增加了北斗卫星导航系统(BDS)多频组合定位的多样性,并提升了定位性能.为系统地评估BDS-3新频点实时动态(RTK)定位性能,选取6个MGEX(Multi-GNSS Experiment)测站构成三条基线,设计了BDS-3 B1I/B3I/B1C/B2a/B2b五种单频方案,BDS-2 B1I+B2I、BDS-2 B1I+B3I、BDS-3 B1C+B2a、BDS-3 B1I+B3I、BDS-2/BDS-3 B1I+B3I五种双频非组合方案和BDS-3 B1I+B3I+B1C+B2a+B2b五种频非组合方案进行RTK解算试验.试验结果表明:当基线长度不超过25 km时,在静态模式下,东(E)、北(N)和天顶(U)方向的BDS-3新频点B1C/B2a单频定位精度分别优于2.85 cm、1.67 cm和4.02 cm,双频定位精度分别优于1.63 cm、1.33 cm和3.26 cm,五频定位精度分别优于2.04 cm、1.12 cm和3.17 cm;在动态模式下,E、N和U方向的新频点单频定位精度分别优于3.03 cm、1.45 cm和6.49 cm,双频定位精度分别优于1.92 cm、0.95 cm和6.71 cm,五频定位精度分别优于2.32 cm、0.91 cm和4.89 cm.两种模式下BDS-3新频点B1C+B2a与旧频点B1I+B3I双频定位精度相当,均优于BDS-2 B1I+B2I与B1I+B3I双频定位精度,同时BDS-3五频非组合方案定位精度与稳定性均优于单频和双频非组合方案.

基于BDS-3/5G的电力铁塔智能监测云端系统研制

鉴于传统的人工周期巡检电力铁塔安全性存在诸多弊端,提出一种基于北斗三号全球卫星导航系统组合5G的电力铁塔智能监测方法。基于BDS载波相位单历元实时动态定位模型,给出利用双频相关法和直接计算法组合的单历元双差整周模糊度快速确定算法实现流程,并探讨实现电力铁塔智能化监测的5G技术及其高性能目标。基于Visual Studio 2010平台,利用C#编程语言,设计和开发一种基于BDS/5G的电力铁塔智能监测软件,并无缝嵌入腾讯云服务器,研制一种基于BDS/5G的电力铁塔智能监测云端装置系统(BDS_ETMS)。系统测试与分析结果表明文中算法及装置系统是行之有效的,为智能电网电力铁塔实时监测提供一种高精度云端解决方案。

BDS+GPS双系统多频RTK算法在土地整理测绘中的应用

针对传统地理信息测绘结果准确率较低的问题,提出将BDS+GPS双系统多频RTK算法应用于土地整理测绘中。BDS+GPS双系统多频RTK算法是多频系统与定位系统的结合,是目前的技术热点。本文通过详细分析多频RTK定位算法及定位特点,将其应用于土地整理测绘中,并进行试验对比,发现将BDS+GPS双系统多频RTK定位系统应用于土地整理测绘中,可以有效提高定位精度和测绘结果完整性,具有实用意义。

北斗三号PPP-B2b服务的卫星定轨精度评估

随着北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的成功组网,新启用的B2b信号由于承载着精密单点定位(PPP)服务而备受关注,但该信号的应用尚未普及,为探究PPP-B2b信号的服务性能,针对自研板卡接收的B1C和PPP-B2b导航电文数据,以德国地学研究中心(GFZ)提供的精密星历产品及其插值结果为参考基准,计算卫星定轨结果与参考基准的互差序列和均方根误差(RMSE),评估广播星历和PPP-B2b精密改正轨道的轨道精度.结果表明:广播轨道在径向(R)、切向(T)、法向(N)的精度均值分别为0.19 m、0.65 m和0.89 m;精密改正轨道在R、T、N的精度均值分别为0.13 m、0.32 m和0.29 m;自研板卡接收的PPP-B2b信号满足PPP的应用要求,为下一步开发基于PPP-B2b信号的相关产品提供数据参考.