CODE新光压模型对北斗混合导航星座精密轨道确定的影响

运用卫星定轨软件工具包NUDTTK,分析了欧洲定轨中心扩展的经验光压模型(EECOM)对北斗二代混合导航星座精密轨道确定的影响。研究表明:对地球静止轨道卫星而言,EECOM能够明显改善定轨精度,相比于传统的ECOM-9和ECOM-5模型,卫星激光测距检核精度分别提高17.4%和35.1%。对倾斜地球同步轨道卫星和中轨道卫星而言,采用ECOM-5模型的定轨精度要优于采用EECOM和ECOM-9模型的,新光压模型EECOM并不能有效改善倾斜地球同步轨道卫星和中轨道卫星的定轨精度。与IGS数据分析中心WHU、GFZ和CODE的轨道产品相互比对的结果显示:目前,国防科技大学北斗精密轨道产品中,地球静止轨道卫星的定轨精度为1~4 m,倾斜地球同步轨道卫星的定轨精度为25~30 cm,中轨道卫星的定轨精度为10~20 cm。     

北斗系统星载原子钟周期性波动的频谱分析校正方法

在建立卫星导航系统星座自主守时时间基准时,必须消除星载原子钟钟差数据中包含的周期性波动,以免将其引入系统时间。针对这一问题,基于国际卫星导航服务组织(International GNSS Service, IGS)提供的北斗系统星载原子钟钟差产品,提出了一种基于频谱分析的星载原子钟周期性波动校正方法。通过比较校正前后钟差数据的频率稳定度性能差异,确认该方法能够消除由环境因素引起的钟差数据周期性波动。北斗系统各类卫星星载原子钟的性能在校正后都得到了提升。地球同步轨道卫星星载原子钟的万秒频率稳定度提升50%左右,中轨道地球卫星星载原子钟的万秒频率稳定度提升23%左右,倾斜地球同步轨道卫星星载原子钟的万秒频率稳定度提升15%左右。经过校正,北斗二号和北斗三号系统中的星载原子钟普遍达到了地面站铯钟的频率稳定度性能,为完全基于星载原子钟的星座自主守时提供了基础。     

北斗卫星伪距信号质量评估及偏差校正

针对北斗卫星信号存在系统性伪距偏差的问题,从多路径角度评估北斗三频信号的质量,验证了该项偏差与卫星轨道类型、卫星仰角及信号频率有关。为消除这一系统性偏差的影响,采用连续分段线性函数建立北斗三频伪距偏差校正模型。与现有的改正模型所不同,所提模型不仅采用了更长时间范围内的北斗实测数据,更为重要的是它顾及了改正数的精度信息。基于动态精密单点定位的实验结果表明,采用所提方法修正后,接收机定位性能有明显提升。     

BDS/INS紧组合三频动对动模糊度解算方法

针对伪距观测噪声较大导致动对动条件下三频整周模糊度解法(Three Carrier Ambiguity Resolution, TCAR)模糊度解算不可靠的问题,提出了一种BDS/INS紧组合三频动对动整周模糊度解算方法。通过紧组合系统输出的高精度位置坐标,估算出双差几何距离值,并用其分别代替无几何和几何模式下的双差伪距观测值,显著降低了伪距双差观测噪声水平,有效提高了三频整周模糊度解算成功率。仿真实验结果表明,BDS/INS紧组合输出的高精度位置坐标使得伪距观测精度提高了60%以上,在短基线条件下,当伪距观测噪声达到2 m时,无几何模式下的TCAR算法模糊度解算成功率为0.73%,几何模式下的TCAR算法模糊度解算成功率为31.25%,而BDS/INS紧组合的TCAR算法在两种模式下的模糊度解算成功率达到99%以上,并且获得了厘米级的相对定位精度。     

双频去相关单历元动态解算整周模糊度研究

针对GPS实时动态精密相对定位应用背景,提出一种整周模糊度实时求解方法。采用宽巷组合载波相位双差、伪距双差观测信息建立观测模型;对浮点模糊度协方差阵进行一次Cholesky分解,构造了浮点转换矩阵,使浮点模糊度完全去相关;推导确定整周模糊度的搜索空间;利用最小残差平方和搜索准则,确定单历元整周模糊度,并用OVT检验方法,对不同历元得到的整周模糊度进行一致性检验。结果表明,观测量误差均方差取值对整周模糊度搜索空间和成功率有较大影响,附加OVT检验的双频去相关单历元动态解算整周模糊度方法正确可行。     

多基准站相对定位算法及先验基线向量偏差影响分析

为提高单基准站短基线相对定位解算的可靠性,研究了多基准站约束的相对定位算法。将基准站间可提前测量的先验基线信息融入观测模型中,给出了多基准站相对定位的函数模型和随机模型,在此基础上推导了模糊度精度因子的解析表达式,揭示了基准站数量的增加对模糊度浮点解精度提升的作用;从理论上分析了基准站间先验基线信息中的偏差对模糊度解算的影响,分析表明,当先验基线各分量偏差的绝对值之和小于5 cm时,模糊度解算几乎不受影响;通过仿真和实测数据进行了验证。试验结果表明,增加基准站数量不仅能有效提升模糊度解算成功率和收敛速度,并且对先验基线信息中的偏差具有较好的抑制作用,当基线各分量偏差均增加到4 cm时,实测数据模糊度解算成功率仍能达到92%以上。研究结论为特殊场景下多基准站间的快速非精确标定提供了理论依据。     

北斗GEO卫星用户算法的改进方法

针对北斗GEO用户算法需要进行5°倾角的坐标旋转处理这一过程,提出了采用经典广播星历参数用户算法直接解算北斗GEO卫星位置的改进方法,并同时给出了相应的基于第二类无奇点根数的广播星历拟合算法。该算法采用第二类无奇点轨道根数代替经典轨道根数,解决了由GEO轨道的小倾角特性引起的经典广播星历参数拟合过程中法化矩阵奇异的问题。从而避免了北斗GEO用户算法中坐标旋转处理过程,减少了GEO用户算法的计算步骤。仿真表明,提出的改进方法在卫星轨道拟合过程中与原算法精度相当;在卫星轨道外推过程中与原算法相比略有精度损失,但仍满足用户导航定位精度的需求。采用实际北斗GEO星历解算的轨道数据验证了改进算法的有效性。     

北斗GEO卫星用户算法的改进方法研究*

针对北斗GEO用户算法需要进行5?倾角的坐标旋转处理这一过程,本文提出了采用经典广播星历参数用户算法直接解算北斗GEO卫星位置的改进方法,并同时给出了相应的基于第二类无奇点根数的广播星历拟合算法。该算法采用第二类无奇点轨道根数代替经典轨道根数,解决了由GEO轨道的小倾角特性引起的经典广播星历参数拟合过程中法化矩阵奇异的问题。从而避免了北斗GEO用户算法中坐标旋转处理过程,减少了GEO用户算法的计算步骤。经过仿真验证,本文提出的改进方法在卫星轨道拟合过程中与原算法精度相当;在卫星轨道外推过程中与原算法相比略有精度损失,但仍满足用户导航定位精度的需求。最后,采用实际北斗GEO星历解算的轨道数据验证了改进算法的有效性。     

BDS在低轨卫星编队高精度相对轨道确定上的应用分析

分析基于北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation System, BDS)的低轨卫星编队相对轨道确定问题,但由于缺乏实测数据,通过仿真实验展开研究。结果表明,500 km空域平均可视BDS卫星数约为9.7,由于地球静止轨道(GeoStationary earth Orbit,GEO)卫星和倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous earth Orbit,IGSO)卫星的存在,亚太地区的可视BDS卫星数明显偏多。仅考虑观测噪声的影响时,基于BDS的相对定轨精度可达0.74 mm,加入星历误差的影响,对近距离编队系统的相对定轨而言,GEO卫星数米的星历误差可以忽略,但当星间距离增大到约200 km时,GEO卫星单差后的星历误差可达厘米量级,GEO+IGSO+中圆地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星和IGSO+MEO卫星求解的相对轨道精度分别为1.09 mm和0.96 mm,GEO卫星的加入使得精度下降了13.54%。在其余误差得到有效处理后,BDS的相对定轨精度可达亚毫米量级,且无明显区域差异,GEO卫星和IGSO卫星能提高近距离编队系统的全球相对定轨精度,未来BDS将广泛应用于低轨卫星编队相对轨道确定。     

加权模糊C均值聚类算法实现BDS三频组合观测值优选

在对BDS三频载波相位组合观测值进行误差分析的基础上，确定了优选载波相位线性组合系数的筛选标准。针对传统聚类算法在高维多频混合数据集分类中存在的不足，采用一种基于加权的模糊C均值聚类算法，通过对同一维度在不同簇上赋予不同的权重值，对传统遍历搜索法所获得的部分BDS三频载波相位组合观测值进行了优化分类选取，有效解决了传统全球导航卫星系统载波相位观测值选取方法效率低的问题，同时为多系统多频数据组合观测值系数的优化选取提供了一种新的思路。对分类结果进行分析，确定了各类组合观测量的适用范围，并结合实测数据，利用无几何层叠模糊度解算方法对优选组合进行了整周模糊度的解算，结果验证了该方法的可行性。     

地球静止轨道粗定位的北斗系统接收机快速定位方法

传统全球导航卫星系统信号发射时间的整毫秒恢复算法,在接收机概略位置未知时存在计算量剧增而无法应用的问题。利用北斗系统混合星座中GEO卫星电文速率高的这一特点,提出一种基于GEO粗定位的北斗接收机快速定位的方法。在接收机概略位置完全未知的情况下,使用已获取完整信号发射时刻的纯GEO星座进行粗定位,根据解算获得的概略位置对非GEO卫星发射时刻毫秒整数时间进行恢复,利用所有可见卫星进行精确定位。使用国际全球连续监测评估系统测站观测伪距对算法进行验证,国内测站可100%实现伪距恢复,完成快速定位。仿真遍历中国区域用户,在仿真伪距增加均值为0,标准差为6m噪声,截止仰角为0°时,中国附近区域实现快速定位概率均大于98.68%,其中约80%的中国附近区域可以100%实现卫星信号传输时间恢复并完成快速定位。     

卫星双向与单向载波联合的北斗星载钟短稳评估方法

卫星导航系统评估星载钟稳定度通常需要大型地面监测网的观测数据和复杂的钟差确定算法,不能基于单站观测数据实现。论文在分析利用单站观测数据评估星载钟短稳方法的基础上,提出了一种相对容易实现的联合卫星双向载波测距值与GNSS单向载波观测值的星载钟短稳评估方法。该方法通过卫星双向载波测距确定星地几何距离,基于消除星地几何距离的GNSS接收机载波相位观测值估算卫星相对钟差,进而实现其短稳评估。利用北斗系统观测数据进行了有效性验证,并与复杂钟差确定算法以及利用平滑广播星历的方法(SBE法)进行了对比,本文方法与复杂钟差确定算法计算的结果相符,在1000s平滑间隔内与SBE法结果一致,相对误差小于10%,1000s以上好于SBE法。     

北斗系统三频载波相位整周模糊度快速解算

北斗导航定位系统播发三个频率观测值,有助于载波相位整周模糊度的快速、准确固定。传统的几何无关模型三频载波相位模糊度固定算法通常采用遍历整数搜索的方法确定载波相位-伪距组合系数,组合后的噪声因子较大,模糊度固定成功率不高。在分析了北斗系统伪距测量误差特性的基础上,给出了加权组合噪声因子的定义及其约束下的最优组合系数的求解方法。采用Hatch滤波提高电离层延时误差实时估计精度,成功固定三组线性无关组合系数对应整周模糊度,进而确定基础整周模糊度。利用北斗系统短基线、长基线实测数据对算法性能进行了验证,实验表明:提出的算法可优化超宽巷、宽巷组合噪声因子20%以上,模糊度固定成功率提高10%~18%左右,30s历元平滑后的基础模糊度固定成功率可达90%以上。     

不同系统组合的精密单点定位性能分析

在分析研究星间单差精密单点定位算法和抗差Kalman滤波解算模型基础上,利用全球定位系统、全球导航卫星系统、北斗卫星导航系统数据,对单、双、三系统精密单点定位精度和收敛时间进行了分析,得出了以下结论:三系统精密单点定位技术无论定位精度还是收敛速度均最优,多系统组合导航定位有利于提高导航定位精度。     

北斗导航系统移动基准站差分定位算法

针对复杂测量环境无法建立固定基准站及进行精密定位的问题,提出一种基于北斗导航系统的移动基准站差分定位算法,即基准站与流动站同时运动并实现高精度差分定位的算法。基于载波相位测量值,在动态短基线条件下,对数据进行站间和星间双差处理,消除接收机钟差以及其他公共误差。对多频观测值进行线性组合,构造双差载波相位超宽巷、宽巷、中巷及窄巷观测量。对上述观测量进行窗口滑动均值滤波并采用逐级模糊度确定法固定整周模糊度,即沿着从超宽巷到窄巷的顺序依次求解整周模糊度。为验证算法有效性,设计基于北斗导航系统的轨道外部几何参数检测仪进行实验,实现毫米级静态相对定位精度和厘米级RTK相对定位精度。     

星载三频GNSS接收机的整周模糊度解算

TCAR算法是GNSS中常用的快速确定三频模糊度的方法。虽然原理简单,计算方便,但是模糊度解算正确的概率很小,需要验证求解数值的正确性。而星载GNSS接收机存在着可见星数目低于3颗的情况,无法进行验证,文章通过结合递推加权最小二乘,对算法进行了改进,给出了适合于任何情况下求解模糊度的改进的TCAR加权算法,克服了TCAR算法在可见星不足情况下,无法获取正确的模糊度数值的缺点。同时在GNSS可见星不低于3颗的情况下,对改进的TCAR加权算法添加了模糊度搜索环节,使得算法在确保模糊度解算成功率的前提下,进一步提高解算效率。最后通过对比仿真表明,在可视卫星数目小于3时,只能采用改进的TCAR加权算法进行模糊度的确定;在可视卫星数目不低于3时,采用改进的TCAR搜索算法求解模糊度,拥有高成功率和高效率的特点。     

两种伪距单点定位模型最小二乘解的等价性证明

针对伪距单点定位解算中存在的两种定位模型的最小二乘解,给出了它们关于位置估计和定位精度等价性的推证过程。描述了伪距单点定位所采用的基本定位模型和单差定位模型,依据伪距观测值精度和单差基准分三种情况分别证明了两种模型的位置最小二乘解和定位精度是等价的,通过实测数据的定位解算验证了两种模型的等价性,并比较了两种模型的最小二乘算法的效率。     

基于代理模型的卫星系统仿真优化平台

针对既定目标,采用卫星系统进行协同观测可以最大化卫星系统的整体效能,如何对卫星系统的轨道或载荷参数设计是一个设计空间大、设计变量多的优化问题。对此,采用基于代理模型的仿真优化,通过改进广义模式搜索算法在设计空间中搜索最优解,并以此为核心设计开发卫星系统仿真优化平台。该平台集成问题建模、仿真优化和结果评估显示,为用户提供设计和改进卫星系统方案的方法和依据。采用该平台对卫星系统设计实例进行优化,通过对比发现,平台的优化结果稳定性和优化效率优于STK-Analyzer。     

单平台纯方位信息的水面编队目标运动要素解算

基于实际背景需求,针对单平台纯方位水面编队目标运动要素解算问题,从可观测性、观测平台机动及解算模型三方面作了探讨.利用线性系统可观测理论,基于伪线性量测方程对编队目标运动要素的可观测性进行了研究,给出了可观测条件.以Fisher信息阵行列式为性能指标,探讨了观测平台最优机动的理论轨线和工程轨线形状.给出了3种编队目标运动要素解算模型,并进行了仿真比较分析.研究结论和仿真结果表明:水下单平台基于纯方位解算编队目标运动要素,自身必须作有效机动,可以采用单目标运动要素解算的最佳机动策略;提出的联合解算模型的效果显著好于已有的两种模型.     

基于接收机钟差约束的地基伪卫星导航改进方法

采用地基伪卫星对飞行器进行导航时,由于布站场地有限不可避免地会出现定位构型差的情况,当仅用伪距和伪距变率进行定位定速时,若采用典型的单历元卫星定位定速算法,那么对飞行器的定位定速精度就会比较差。通过分析发现,地基伪卫星导航系统用户接收机钟差和钟差变率的求取不准确很大程度上影响了定位定速精度。针对这种情况,提出了通过提高地基伪卫星接收机钟差和钟差变率的求解精度来提高定位定速精度的方法。首先根据接收机钟差和钟差变率的模型得到它们的观测方程,然后将其加入到单历元定位定速方程组中参与定位定速解算,仿真结果表明了该方法的可行性和有效性。