基于地球GNSS和导航增强星的地月空间导航方法

针对载人登月及无人月球探测后续任务中亟须突破的高精度实时自主导航需求,拥有GNSS自主导航能力具有重大意义,符合未来月球探测任务简便、低代价导航发展趋势。而将地球GNSS导航直接应用到地月空间导航场景所能提供的实时导航能力有限,无法满足高精度导航应用的需求。因此,提出了一种基于地球GNSS和导航增强星的地月空间导航方法,通过仅增加一颗月球空间导航节点,在播发导航信号的同时,分别建立与地球GNSS导航星座和月球用户之间的双向时间同步链路,将钟差与位置误差进行解耦,实现月球用户的高精度实时三维绝对导航。仿真结果表明,该方法能大幅提升月球用户的几何精度因子,可获得优于50m的实时定位精度,具有很强的实用性。

GNSS卫星导航地基增强系统与位置云服务关键技术

针对地基增强系统自主研发了高精度增强参考站网络位置服务平台,通过与国际上代表性的平台系统比测,结果表明:网络RTK服务的初始化时间基本一致,相同测试点两个系统的精度相当,均实现了厘米级的RTK定位.北斗与GPS联合数据处理结果表明:联合解的57条基线在X、Z方向均优于1 mm,Y方向优于2 mm.与北斗和GPS单独解算相比,联合解算分别有55条和53条基线精度得到了改善,占总体的96.5%和93.0%.针对大规模CORS网络的多模GNSS数据融合、处理与位置服务问题,提出了建立位置无关服务和资源池的位置云服务的思想,实现数据处理与分析能力共享、多样性服务、广域无缝定位连接,为广域分布式CORS网络的信息获取、共享、处理和分析等提供了全新的理论基础.

低轨导航增强GNSS发展综述

低轨星座具有地面接收信号强度高、几何图形变化快的优势,能够与中高轨GNSS星座形成互补,对增强GNSS的精度、完好性、连续性和可用性具有显著优势,已成为当前卫星导航领域的关注热点。本文首先简要介绍了现有的GNSS增强系统;总结了国内外低轨导航增强星座发展现状;针对低轨导航增强,对比分析了高中低轨导航星座的优缺点;重点讨论了低轨导航增强在联合定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等方面带来的机遇;分析指出了低轨导航增强的空间段、地面段和用户段所面临的挑战。

GBAS在终端区的应用

地基增强系统(GBAS)是一个基于卫星导航技术,并且综合了地面、空中、机载三部分设备的集成系统。它是GNSS的增强系统。本文详细分析了GBAS的系统组成、功能、优点以及GBAS在终端区的应用。

岸基GNSS-R海上溢油探测方法

从岸基角度出发,利用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)技术,同时结合电磁波的部分去极化现象以及反射率与海面粗糙度特征函数的映射关系,建立了三天线观测模式下的海上溢油探测模型,根据反演出目标水域的相对介电常数来判断有无溢油。通过2次实验分别采集污油和潮间带的GNSS直射信号以及反射信号中的左旋、右旋圆极化分量,依据反演模型处理数据并进行了总结与分析。从实验结果来看,当探测表面为油面时反演出的相对介电常数其均值为2.14,标准差为1.44,而海滩在历经潮水的涨落时所反演出相对介电常数值也存在明显的由小增大再减小的过程,油、水反演值差异明显,同时与理论相对介电常数值具有较好的一致性,说明此方法在岸基海上溢油遥感领域具有一定的可行性。

不同星历产品对GNSS可降水量的影响分析

针对最终精密星历发布延迟时间长、更新速度慢,无法满足实时数值气象预报的需求的问题,提出利用超快速星历和快速星历替代最终精密星历反演全球卫星导航系统(GNSS)大气可降水量(PWV)的方法,并基于香港连续运行参考站(CORS)数据和国际GNSS服务中心(IGS)提供的星历产品,使用中国测绘科学研究院自研的高精度GNSS数据处理软件GPAS进行PWV反演实验。结果表明:3种方案反演的GNSS-PWV与探空数据计算的PWV具有较强的相关性,其中利用精密星历解算PWV精度最高,利用超快速预报星历的精度最低;3种方案的PWV之间的相关性较高,进一步证明了使用超快速预报星历代替最终精密星历进行PWV反演是可行的,能够满足实时气象预报的精度要求。

GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法

为了进一步研究岸基溢油面积的探测方法,提出一种利用卫星主要反射信号接收区域(闪耀区)作为探测单元,对目标区域溢油面积进行探测的方法:通过建立相关功率、反射率与海面特征参数3者之间的映射关系,对卫星所对应的闪耀区内海面相对介电常数进行反演,来判断该闪耀区内是否存在溢油;并通过多颗卫星在一段时间内对应闪耀区的叠加计算来对溢油的面积进行计算。实验结果表明该方法可以有效探测目标海域的溢油分布情况,并对溢油面积进行计算。

基于多参数稳定分布的GBAS垂直保护级计算

针对全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的地基增强系统(ground based augmentation system,GBAS)的完好性评估过程中,使用误差包络理论计算保护级(protection level,PL)时,误差模型存在的“厚尾”“不对称”“非零均值”等问题,提出了基于稳定分布的误差包络理论。首先给出了高斯包络理论计算PL的模型;其次推导了两参数与四参数稳定分布误差包络算法;最后使用仿真数据和通过实验测得的数据,对多参数稳定包络模型的算法进行评估。结果表明多参数稳定包络法在相似的计算复杂度下,解决了高斯包络法建模时过于保守的问题,显著提高了保护级计算的精确性。

动基座下SINS/GNSS组合导航系统杆臂误差补偿

陆用武器系统作战时处于动态环境中,其惯导系统对准需要利用外部运动信息辅助,引起外部运动信息与惯导系统之间的外杆臂误差会影响对准精度。针对这一问题,该文以全球导航卫星系统(GNSS)辅助捷联惯导系统(SINS)为例,分析并建立了SINS/GNSS组合导航系统外杆臂误差模型,并将陀螺仪和加速度计的标度因数误差引入状态向量中,采用无迹卡尔曼滤波算法(UKF)解决动态情况下的大失准角的强非线性问题,并进行仿真验证。仿真实验结果表明,采用UKF滤波算法进行杆臂误差补偿后相较于补偿前速度误差的均方根误差最大减小了0.0067 m/s,位置误差的均方根误差最大减小了0.7786 m,有效地抑制了杆臂误差对组合导航系统动态对准精度的影响。

基于GNSS的地基增强系统信号质量监测阈值设计

针对载噪比和码/载波分歧监测量在信号质量监测(SQM)过程中出现的非高斯性导致阈值模型过于保守的问题,提出一种基于稳定分布的SQM监测量参数阈值算法。首先给出2种监测量基于高斯分布的阈值模型,然后推导基于稳定分布的监测量阈值模型,最后通过实测数据对稳定分布的阈值算法进行评估与验证。结果表明,稳定分布可更加准确地描述载噪比和码/载波分歧监测量,使阈值更加紧致地包络监测量参数,从而解决传统阈值模型过于保守、精确低的问题,降低系统风险,提升GBAS系统的完好性。

利用视觉信息辅助GNSS紧耦合定位方法

针对在复杂地理和电磁环境条件下,全球卫星导航系统(GNSS)信号易受到遮挡或者电磁干扰,往往无法正常地提供导航定位服务的问题,提出1种利用视觉信息辅助GNSS的紧耦合定位方法:将影像中世界坐标已知的特征点视作“视觉伪卫星”,利用共线方程求解相机近似坐标,再反算出相机至物方特征点的距离,与GNSS测距信号联合定位;利用相机进行远距离定位时近似坐标精度不高,通过联合GNSS信号可提升定位精度,另一方面视觉测距信号具有抗干扰的特性,深耦合定位可提升GNSS在复杂环境下定位的可用性。实验结果表明,紧耦合定位算法具有可行性,能够提升定位精度。

GNSS-R石油平台溢油探测方法

针对海面溢油监测中常用的雷达监测功耗大、成本高,光学探测易受天气干扰,且2种方法的监测时间受限制、易受其他物质干扰等问题,提出以全球卫星导航系统反射信号(GNSS-R)技术反演介电常数的岸基探测方法:通过污油池实验和海上抛油实验对介电常数进行分析,总结介电常数的变化规律;并结合实际的实验场景,建立介电常数变化与油膜覆盖状态的初步关系,对介电常数是否适用于海面溢油探测进行分析。实验结果表明,GNSS-R探测方法能区分海面有无油膜,且介电常数的数值大小与油膜覆盖面占比存在负相关性,介电常数可以作为判断海面溢油的基准参量。

论GBAS技术在中国民航的应用

卫星导航地基增强系统(GBAS)是一种典型的GNSS增强技术,本文介绍了GBAS技术的基本原理,对比了卫星着陆系统(GLS)较传统仪表着陆系统(ILS)的优势,并论述了GBAS技术在中国民航的发展现状及未来应用需解决的问题。

LEO卫星接收天线对北斗三号MEO覆盖性分析

低轨增强系统是将低轨卫星作为卫星导航系统的高精度天基监测站,与中高轨卫星定位系统形成互补,可增强定位的精度和完好性,助力构建GNSS全球天基监测网,同时通过提供高精度导航信号,助力提供全球准实时高精度服务。低轨导航增强系统处在同时同频全双工的工作状态,系统存在同频自干扰信号。针对该情况,首先,分析同频干扰对消技术对天基GNSS接收天线波束宽度的需求;其次,理论推导出GNSS接收天线与BDS-3 MEO卫星覆盖之间的关系,给出LEO卫星GNSS接收天线波束宽度最优值,该值既能最大限度降低同频干扰对消实现复杂度,又能实现LEO卫星作为导航增强的系统需求;最后通过工程实际证明该波束宽度的设置合理性,为后续实际工程起到一定的指导意义。

3种典型地月轨道的天基定轨与时间同步

基于地月轨道天基定轨与时间同步精度协同困难的问题,提出一种地月空间航天器天基测定轨与时间同步的方法。低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星作为“天基测控站”,接收全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)信号实现高精度实时定轨与授时,同时与地月空间航天器建立测量链路,支持地月航天器快速高精度轨道的确定。与地面站相比,LEO卫星运行速度快、绕地周期短,地月空间航天器与其建立的测量链路具有不可见时间间隔短、测量几何较优、测量过程不受大气延迟影响的优点。因此使用LEO卫星可提高定轨的收敛速度和精度。分析了地月空间3种典型轨道的天基定轨与时间同步性能,包括远距离逆行轨道(Distant Retrograde Orbit,DRO)、大椭圆轨道(Highly Elliptical Orbit,HEO)和地月转移轨道。天基定轨仿真结果显示,LEO卫星位置精度较高时,3种轨道定轨收敛时间小于3h,定轨位置精度为50m左右,时间同步精度为数十纳秒级。该方法有望解决中国地面站部署受限、地面测控负担重的问题。

GBAS对流层异常完好性监测参数研究

地基增强系统(GBAS)服务于与生命安全相关应用时,有必要开展对流层异常监测以保证导航精度和完好性。观测域最大可容忍对流层延迟和对流层异常概率是设计GBAS对流层异常完好性监测体系的关键参数。本文以满足适航需求为基础,实现定位域所需导航性能与观测域所需监测性能之间的转换,基于最差保护原则实现了观测域最大可容忍对流层延迟的量化。欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)2010—2019年的气象数据被用于对流层反演分析,验证了对流层波导异常和非标称对流层延迟2类故障发生概率。使用北斗真实数据和气象数据开展仿真验证,结果表明:为保障GBAS支持的精密进近和着陆服务完好性和可用性,观测域最大可容忍对流层延迟取值范围为0.57~0.92 m(对应下滑角θ=2.5°~3.5°);沿海地区,对流层波导异常概率处于10%~50%之间,但其对GBAS完好性影响较低;非标称对流层延迟概率保守设置为5.3×10^(−3),以保证GBAS完好性。上述仿真结果为对流层异常完好性监测器设计和GBAS完好性监测体系完善提供了重要参考。

一种基于伪卫星跳时信号的联合捕获算法

地基伪卫星系统为克服远近效应影响,通常采用跳时(Time Hopping/Direct Sequence-Code Division Multiple Access,TH/DS-CDMA)信号进行伪距测量与定位,导致接收终端必须增加系统跳时序列相位估计的设计,降低捕获效能的同时也引入了接收终端的捕获复杂度。针对以上问题,提出了一种基于伪卫星跳时信号的联合捕获算法,利用跳时信号的时域正交特性与时隙分配特点,将多基站单脉冲信号捕获结果映射为使能时隙序列,通过循环截断相关完成跳时参数估计,有效缩短了跳时参数估计时间。仿真结果表明,该方法能够正确完成捕获阶段的参数估计,4个伪卫星的联合捕获耗时相较传统方法减少63.32%,为伪卫星跳时信号的快速捕获提供了有效方法。

“卫星导航定位原理”课程研究性教学法探讨

针对"卫星导航定位原理"课程教学过程中存在的问题,提出了突出教学重点、设计教学内容、加强主动性学习的教学思路,设计了一套课堂理论教学、实践环境设计、试验实习教学的方法,在实践中采用了突出重点内容、引进工程案例、设计教学环境、因人因组而异的方式,突出了设计性和研究性教学,取得了较好的教学效果。

面向多应用系统的位置公共服务(LBCS)模式研究与平台设计

当前的LBS应用系统多采用独立构建方式,将LBS通用服务功能与应用系统相关功能集成,使系统内部耦合程度较高,虽然能够保证应用系统的完整性,但导致LBS通用服务功能难以共享,造成系统的扩展性差以及数据、计算资源的浪费。该文探索了面向多应用系统的位置公共服务(LBCS)的服务模式与系统体系结构。基于这种服务模式,位置服务系统将由两大部件构成:LBS公共服务平台和专业应用系统,且LBS公共服务平台能被多个应用系统使用。

GPS地基增强系统简介及其性能仿真验证

GPS地基增强系统主要用于增强卫星导航系统信息的完好性和提高导航精度,为飞机的精密进近和着陆导航提供服务。介绍了GPS地基增强系统组成结构、服务类型和主要服务信息种类,进而对信息完好性进行了简单说明。然后对GPS地基增强系统的误差源进行了简单描述,根据误差源模型建立地基增强系统的完好性数学模型。最后以A320飞机为飞行平台,通过仿真飞机在着陆过程中的水平保护级和垂直保护级,评估地基增强系统的性能。通过仿真分析,GPS地基增强系统能够满足CATⅢB类的精密进近和着陆导航要求。