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。

卫星导航接收机欺骗攻击及防护综述

本文主要研究卫星导航欺骗干扰技术与欺骗防护技术,首先介绍欺骗干扰的生成方式、欺骗干扰实施策略与播发策略,并从欺骗威胁、实现难度、防护难度等多方面给出现有欺骗技术的对比分析。其次从信号体制、终端处理技术、辅助信息校验技术等三个层面介绍现有欺骗防护技术,并从欺骗适应性、实现需求、实现难度、实现效果等几方面给出防护技术对比分析。在此基础上,研究在面对不同欺骗攻击时接收机的欺骗防护框架,对于评估导航接收机的防护能力有借鉴意义。

PULSAR低轨卫星导航星座性能分析研究

低轨卫星导航系统是当前卫星导航领域关注热点,文章以美国修娜空间系统公司的PULSAR低轨卫星导航星座为例,首先介绍了其发展规划和最新进展,然后从对地覆盖特性、GNSS天基监测能力、星间建链情况、掩星事件数目等方面,分析了不同建设阶段的星座特性和最终定位性能。结果表明,在完全服务能力阶段,PULSAR星座能够提供全球8重以上(95%)覆盖,位置精度因子优于3.5(95%),具备米级独立定位能力,联合GNSS可将精密单点定位收敛时间显著缩短约90%,与此同时,在星载导航接收机的支持下,能够满足对GNSS的时空基准增强、空间天气监测、天基完好性监测等需求。相关结论可为我国低轨卫星导航系统建设提供参考。

应用紫外敏感器的高轨卫星自主导航技术

针对高轨卫星在无地面测控站支持下难以实现高精度自主导航,卫星的自主生存能力不足的问题,文章提出一种利用地球紫外波段和恒星可见光波段为卫星进行自主导航的技术并进行了在轨验证,该导航方法利用视场1观测恒星可见光波段,视场2观测地球紫外波段。视场1利用星敏感器全天球识别算法识别所有恒星星像,识别结果的光轴指向作为恒星矢量;视场2被用来对地球紫外波段轮廓成像,计算得到地心矢量在卫星本体坐标系中的方向,通过高精度的系统偏差标定,实现了目前国内较高精度的高轨卫星天文导航应用。

星下点观测的星载卫星导航反射信号海面风矢量极大似然估计

该文针对星载全球导航卫星反射计(GNSS-R)镜面反射信号对海面风向不敏感导致海面风向反演难问题,分析非镜向海面散射信号特征,提出星下点非镜向观测模式,定义该模式下海面风矢量敏感特征观测量,在此基础上提出基于星载GNSS-R海面风矢量极大似然估计(MLE)反演算法直接利用两颗及以上导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演,并提出风矢量搜索算法提高反演效率。通过搭建星载GNSS-R仿真平台验证算法的可行性和评估算法性能。结果表明:所提算法可直接利用非镜向独立观测模式下的多颗导航卫星散射信号反演得到海面风速和风向;多星观测可消除观测几何导致的模糊解从而将海风风向4个模糊解降至2个模糊解,但无法消除海浪谱的对称性导致的海面风向模糊解。在2~25 m/s的风速内,当信噪比(SNR)大于11 dB时,3星观测的风速均方根误差(RMSE)优于2 m/s,风向的均方根误差优于15°。

北斗全球卫星导航系统工程技术与管理创新

北斗全球卫星导航系统由中国自主建设运行,具备向全球用户提供全天时、全天候、高精度定位、导航和授时服务能力,具有报文通信、国际搜救等功能。北斗全球卫星导航系统坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则,发挥新型举国体制优势,全面突破核心关键技术,创新发展工程管理模式,实现了国际卫星导航领域和我国航天领域的多个首创,提前半年完成建设,走出了一条符合我国国情、独具特色的国家超级工程发展道路。本文围绕北斗全球卫星导航系统任务要求,全面阐述工程任务组成、任务进程和系统应用,从“混合星座、通信导航融合、星间链路、导航信号、快速组网、核心产品国产化”等方面梳理系统技术特点与创新,并总结了北斗工程建设过程中组织、技术、进度、质量和运行服务等管理体系的创新举措。

卫星导航服务性能评估与干扰监测保障系统设计

卫星导航信号存在固有脆弱性,极易受到有意或无意的电磁干扰,因此开展卫星导航服务性能和干扰信号的监测与评估,对支持导航系统运行服务和保障时空信息应用安全具有重要意义.本文针对卫星导航服务性能监测评估的机理特点,结合干扰监测排查的现实需求,给出了系统建设的总体架构和运行的机制流程,并就系统效能发挥的关键技术进行研究分析,为工程化构建“多源融合、广域覆盖,立体感知、快速响应”的导航应用监测保障系统提供总体指导和技术支撑.

“卫星导航信息安全”专刊导读

全球卫星导航系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统,可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务,是国家经济建设、国防建设、交通运输的重要基础设施,已从最初的军用导航定位服务深入到许多民用专业应用领域.然而,随着导航技术的广泛应用和干扰手段的市场化.

湖南省卫星导航定位基准站网服务体系建设及思考

卫星导航定位基准站网是重要的国家空间基础设施,对国家安全和国民经济建设具有重要意义。湖南省卫星导航定位基准站网(HNCORS)经过多年发展,其网型结构不断优化,用户并发服务能力得到提升,服务领域不断拓展。随着数字中国建设和数字经济的蓬勃发展,高精度位置服务需求日益旺盛,HNCORS迎来了新的发展机遇,同时也面临新的挑战,如在监管机制、基础设施、自主创新和共享融合等方面存在不足。为了解决这些问题,湖南开展了卫星导航定位基准站网服务体系建设。本文首先描述了HNCORS服务体系建设背景;然后从管理机制、基础设施和核心技术三个方面阐述建设过程,总结出在服务模式、应用领域和共享融合方面取得的成效;最后对其未来发展进行展望,并从要素保障、自主创新、发展与安全三个方面提出针对性建议,可为卫星导航产业的发展和相关部门政策制定提供参考。

卫星导航定位课程基于证据启发的学习设计

核心素养是学生应具备的能适应社会和终身发展需要的关键能力和必备品格,实践创新是6大核心素养之一。随着“互联网+教育”的迅速发展,结合网络教育对卫星导航定位专业课程进行基于证据启发的学习设计,有益于培养学生的实践创新素养。以提高工程实践能力为目标,通过线上线下混合式教学下翻转课堂的讨论式、启发式教学方法对该课程的专业知识进行关联、融合、贯通,进一步应用于解决工程实践问题。经过3轮以上的教学实践,通过对比传统式、混合式等不同教授—学习设计发现,混合式教学下基于证据启发的工程案例学习设计有助于培养学生解决复杂工程问题的能力以及工程实践创新能力。

基于双卫星导航接收机的测控装备精度验收方法研究

针对测控装备精度验收的问题,提出了采用双卫星导航接收机的测控装备精度验收方案,给出精度验收的一般流程,详细推导了一种不同于传统的真值计算新方法,并提供了此方法的具体算法和模型。在理论分析的基础上,采用算例进行计算和分析,结果表明基于双卫星导航接收机的测控装备精度验收方法,可以事先根据测控装备的精度指标,分析所需卫星导航接收机的指标,同时也可以为航路设计提供定量数据支撑,节省测控装备精度验收的人力与物力,可以在测控装备精度验收的相关领域推广应用。

面向旋转载体的卫星导航天线相位缠绕问题与分析

为解决卫星导航接收机在小口径旋转导弹应用中无法实现载波连续跟踪问题,本文通过分析小口径旋转导弹接收的卫星导航信号特点,研究载体旋转对接收信号幅度和载波相移的影响,建立载体旋转状态下接收信号的幅度变化模型和载波相移模型,提出了天线相位缠绕会引入额外的载波相移并改进原有的系统模型。依据信号模型进行系统仿真,并搭建了试验环境以证明相位缠绕对载波相位测量引入的误差不可忽略。试验结果表明,本文所改进的相位缠绕系统模型与实测数据均方根误差为11.13°,为卫星导航接收机实现载波跟踪进行精确的相位补偿提供理论依据,进而为提高高速旋转载体卫星导航性能提供理论支撑。

“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。

非视距环境下核密度估计的全球卫星导航系统鲁棒定位方法

非视距(NLOS)传输会引起全球卫星导航系统(GNSS)接收机的伪距测量误差,最终导致定位解出现较大误差,这一问题在城市峡谷等复杂环境下尤为突出。针对该问题,该文提出核密度估计的鲁棒定位方法,其核心思想是在定位解算中引入鲁棒估计来缓解NLOS的影响。考虑到NLOS引起的伪距观测误差偏离高斯分布,所提方法首先利用核密度估计(KDE)方法估计伪距观测误差的概率密度函数,并利用该概率密度函数来构造鲁棒代价函数用于导航解算,从而缓解NLOS引起的定位误差。实验结果表明所提方法在卫星存在NLOS传输时能够较好地减小GNSS的定位误差。

面向服务的新一代卫星导航系统空间段关键技术

为持续提升卫星导航系统的服务性能、满足用户更加专业和多元的需求,世界各国均在持续开展卫星导航技术的研究,加紧推动新一代卫星导航系统的规划部署。本文系统梳理了当前世界各国面向服务的卫星导航系统空间段技术最新发展情况,对空间段技术发展特点进行了总结,基于对系统服务性能贡献度和密切相关度的分析,提出了四大类空间段创新技术,分别为:时空基准技术、高精度高完好信号播发处理技术、可信导航技术、高集成全数字化载荷实现技术,给出了基本要求与关键技术,可为我国卫星导航系统后续研究与工程化应用提供参考。

北斗卫星导航定位基准实时服务格网化方法——以山东省为例

当前,北斗卫星导航定位基准实时服务以虚拟参考站定位模式为主,随着用户的不断增加,导致平台端运算压力陡增。针对该问题,提出了一种融合格网与地形信息的立体格网定位方法,并对格网划分策略进行了系统性研究。以山东省北斗卫星导航定位基准站网为例,选择16个野外测试点对格网化后的实时服务进行了实测验证,平面外符合定位精度优于1.5cm,高程外符合定位精度优于2.0cm。实现了厘米级增强定位,在满足网络实时定位精度的前提下,大幅降低数据中心的运算压力。

卫星导航终端小型化开口缝隙螺旋天线

研究了一种小型化卫星导航终端开口缝隙螺旋天线。天线主体为四条宽度渐变的开口缝隙螺旋臂,蚀刻在外表面覆铜的介质基板围成的方型结构上,由印制于介质基板内表面的微带线结构馈电网络进行耦合馈电;馈电网络由底面回形结构和侧面逐渐向上变宽的折形结构组成,使用同轴线接头在天线底部对其馈电。天线总体尺寸为26 mm×26 mm×29 mm,实测结果表明:|S_(11)|≤-10 dB的阻抗带宽为7.88%(1.523 GHz~1.648 GHz),轴比≤3 dB的圆极化带宽为20.26%(1.490 GHz~1.826 GHz),在北斗B1频段中心频率(1.561 GHz)、GPS L1频段中心频率(1.575 GHz)和GLONASS L1频段中心频率(1.602 GHz)处增益分别达到3.33 dBi、3.18 dBi和2.79 dBi。该天线采用开口缝隙螺旋结构,通过简单的馈电网络串行耦合馈电实现天线的圆极化,在较小尺寸情况下实现了较宽的带宽和较好的增益。

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。

卫星导航多干扰源直接定位方法

卫星导航信号到达地面时非常微弱,容易受到各种干扰,给用户带来一定的影响;针对此种情况,面向卫星导航系统多干扰源定位场景,传统两步定位算法受参数估计精度影响较大,DPD_MVDR算法虽然改进了MUSIC算法需要估计目标数这一缺点,但由于使用固定网格分辨率,定位精度与计算复杂度二者无法兼得;针对上述问题,提出一种改进DPD_MVDR的直接定位方法,在直接定位这一关键技术上运用自适应网格细化,其最大优势在于只对干扰源位置附近的网格实现多级细化,能很好地兼顾定位精度与计算复杂度,避免了传统穷举搜索带来的巨大计算复杂度;首先使用DPD_MVDR算法在粗网格下进行位置初始估计,然后在估计位置处进行迭代自适应网格细化,在降低计算复杂度的同时,提高定位精度;仿真表明,改进算法在100 m网格分辨率下计算复杂度明显降低且较DPD_MVDR算法定位精度得到明显提高;适用于对定位精度和定位实时性均有一定要求的场景。

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)