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卫星空间信号用户测距误差特性分析

卫星空间信号用户测距误差特性分析

作者：牛邦玉中国民航大学

学位级别：硕士

近年来,随着卫星定位与导航技术的快速发展,全球导航卫星系统(GNSS)得以更加深入和广泛地被应用到民用航空领域中,特别是随着北斗卫星导航系统在2012年开始提供区域定位导航服务开始,对卫星导航系统的监测与评估和对定位精度的评估方法... 详细信息

近年来,随着卫星定位与导航技术的快速发展,全球导航卫星系统(GNSS)得以更加深入和广泛地被应用到民用航空领域中,特别是随着北斗卫星导航系统在2012年开始提供区域定位导航服务开始,对卫星导航系统的监测与评估和对定位精度的评估方法的研究已成为热点。本文内容围绕卫星导航定位系统性能的关键指标:卫星空间信号用户测距误差(URE)展开,以全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统卫星的卫星空间信号用户测距误差作为研究对象进行特性分析,主要包括以下内容1.数据获取及预处理:获取2017年全年GPS和北斗卫星精密星历以及广播星历,作为卫星空间信号用户测距误差的数据来源并进行预处理,包括精密星历的格式解读,参数提取,滑动拉格朗日插值阶数选择和算法实现;广播星历格的式解读,参数提取,卫星位置计算和卫星钟差计算,天线偏移校正和卫星钟差校正。2.URE计算和统计特性分析:选用合适的空间信号URE公式及系数,结合经过预处理的GPS和北斗系统星历数据,计算了2017年在轨运行的31颗GPS卫星和14颗北斗卫星的空间信号URE;根据GPS和北斗系统卫星的空间信号URE计算结果,探究统计特性的分布规律,实现了使用非对称双S函数对GPS卫星用户测距误差概率密度分布的描述,非对称双S函数和LogNormal函数对北斗卫星用户测距误差概率密度分布的描述,效果均优于传统的正态分布假设。3.URE时域特性分析及定位精度改善:根据GPS和北斗系统卫星的空间信号URE计算结果,分析两个系统URE时域特性,描述了GPS卫星URE的跳变模式,总结出了GPS和北斗系统卫星各自的2017年URE跳变点,为以后更进一步的研究提供了依据。基于URE计算结果和特性分析结果,优化GPS和北斗系统定位权重因子,提高卫星定位精度。

关键词：全球定位系统北斗卫星导航系统用户测距误差非对称双S函数

GLONASS软件接收机设计、实现与性能验证

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计算机仿真 2022年第9期39卷 21-27页

作者：吉宁王雪卢晓春郭瑶中国科学院国家授时中心陕西西安710600 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室陕西西安710600 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京101408 中国科学院大学天文与空间学院北京101408

近年来GLONASS更新速度加快,并在全球布设地面站,服务性能大幅提升,2019年8月中俄兼容互操作协定的签署,使GLONASS再次被研究者关注。研究了GLONASS导航信号的捕获、跟踪、星历提取及定位解算方法,设计并开发了GLONASSL1OF信号软件接收... 详细信息

近年来GLONASS更新速度加快,并在全球布设地面站,服务性能大幅提升,2019年8月中俄兼容互操作协定的签署,使GLONASS再次被研究者关注。研究了GLONASS导航信号的捕获、跟踪、星历提取及定位解算方法,设计并开发了GLONASSL1OF信号软件接收机,实测数据定位结果水平精度±6米,高程精度±8米,50%可能性的水平圆误差为2.7272m。分析了GLONASS信号测距和定位性能,在载噪比≥47.60dB时,伪距拟合差≤5m,同URA下,HDOP在2.1736~3.4812范围变化时,水平定位偏差标准差波动7.4092m。经分析精度衰减因子(DOP)和用户测距误差(URE)是最终定位误差主要影响因素。

关键词：格洛纳斯软件接收机精度衰减因子用户测距误差测距性能定位性能

不同尺度范围的监测网对星基增强服务性能的影响分析

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导航定位与授时 2023年第4期10卷 112-122页

作者：张永兴王乐谢威王紫薇田耀召李孟园长安大学地质工程与测绘学院西安710054 中国电子科技集团公司第五十四研究所石家庄050081

区域监测站提供的星基增强完好性监测服务在民用航空等生命安全领域发挥着重要作用。为了分析利用不同尺度监测网估计的完好性信息对用户服务性能影响,使用等效钟差方法分别实现三种不同尺度的监测网完好性参数估计,并进行增强定位验证... 详细信息

区域监测站提供的星基增强完好性监测服务在民用航空等生命安全领域发挥着重要作用。为了分析利用不同尺度监测网估计的完好性信息对用户服务性能影响,使用等效钟差方法分别实现三种不同尺度的监测网完好性参数估计,并进行增强定位验证。从增强卫星数目、用户测距误差、定位精度和保护级包络特性方面研究不同尺度的监测网对用户服务性能评估的影响,结果表明:与小尺度和中等尺度区域相比,大尺度区域增强卫星数目分别增加了50.7%、33.7%。与广播星历伪距单点定位相比,基于小、中等和大尺度区域监测网估计的改正数增强定位在水平方向定位精度分别提升了33.08%、33.59%和32.54%,垂直方向定位精度分别提升了36.56%、41.07%和43.86%。三种尺度估计的平均用户测距误差均优于0.3 m,保护级水平对定位误差的包络均能达到95%。研究成果可为区域星基增强监测网的选择提供理论支撑和应用依据。

关键词：星基增强等效钟差不同尺度用户测距误差定位精度保护级水平

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基于半长轴补偿的广播历书参数改进计算方法

中南大学学报（自然科学版） 2015年第7期46卷 2504-2509页

作者：靖守让吴鹏刘文祥孙广富国防科技大学电子科学与工程学院湖南长沙410073

基于全球定位系统(global positioning system,GPS)历书参数忽略了卫星轨道近地点角的变化,无法准确描述中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星轨道的长期变化规律,直接使用历书参数进行最小二乘拟合的传统方法无法取得较高精度等问... 详细信息

基于全球定位系统(global positioning system,GPS)历书参数忽略了卫星轨道近地点角的变化,无法准确描述中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星轨道的长期变化规律,直接使用历书参数进行最小二乘拟合的传统方法无法取得较高精度等问题,针对非历书长期改正项对位置计算的影响进行分析,提出一种基于半长轴补偿的广播历书改进计算方法。对拟合历书增加角速度变化量,并利用其对半长轴平方根进行补偿从而获得广播历书参数。研究结果表明:通过此方法拟合6 d卫星轨道数据,位置误差为数千米,用户测距误差(user range error,EUR)小于900 m,比传统直接历书拟合方法精度提高1倍以上;改进法获得的历书外推8 d的用户测距误差小于3 km,采用传统方法获得的历书用户测距误差达8 km。

关键词： MEO卫星扩展历书参数集半长轴补偿历书拟合用户测距误差

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北斗系统UERE及定位精度评估

空间科学学报 2019年第1期39卷 118-128页

作者：刘瑞华王莹王剑中国民航大学电子信息与自动化学院天津300300

用户测距误差(URE)与用户设备误差(UEE)是影响定位精度的主要因素.民航是北斗系统的高端用户,监测其对民航机场的覆盖性和服务性能十分必要.本文根据华东、华南、华北、西北地区4个民航机场观测站的北斗实测数据,分析了各机场卫星的可见... 详细信息

用户测距误差(URE)与用户设备误差(UEE)是影响定位精度的主要因素.民航是北斗系统的高端用户,监测其对民航机场的覆盖性和服务性能十分必要.本文根据华东、华南、华北、西北地区4个民航机场观测站的北斗实测数据,分析了各机场卫星的可见性.根据URE的解算方法、电离层修正模型、对流层修正模型以及定位精度的评估方法,给出了对应的性能评估结果.研究发现:可见星数均在6～14颗,满足定位要求;95%置信度下,电离层延迟优于7.50 m,对流层延迟优于13.28m,地球静止轨道卫星(GEO)、倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)、中圆轨道卫星(MEO)卫星的URE值分别优于2.36 m, 1.72 m, 2.59 m,满足北斗规范的要求;95%置信度下,定位精度水平方向优于3.63 m,垂直方向优于6.98 m.结果表明北斗系统在民航机场监测站的覆盖性及服务性能良好.

关键词：北斗卫星导航系统电离层延迟对流层延迟用户测距误差定位精度

BDS-2与BDS-3卫星空间信号精度评估

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测绘科学 2020年第1期45卷 54-61,76页

作者：刘凡李雷刘国林王胜利徐莹山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266590 山东科技大学海洋科学与工程学院山东青岛266590

针对BDS-3现有卫星空间信号精度评估问题,该文以BDS-2和BDS-3卫星为研究对象,介绍了BDS卫星空间信号精度评估的方法,基于MGEX发布的2019-05-01—2019-05-31日连续31d的广播星历与WUM分析中心的精密星历产品对33颗BDS卫星的轨道误差、卫... 详细信息

针对BDS-3现有卫星空间信号精度评估问题,该文以BDS-2和BDS-3卫星为研究对象,介绍了BDS卫星空间信号精度评估的方法,基于MGEX发布的2019-05-01—2019-05-31日连续31d的广播星历与WUM分析中心的精密星历产品对33颗BDS卫星的轨道误差、卫星钟差、用户测距误差(URE)和空间信号测距误差(SISRE)进行精度评估。研究结果表明:BDS-2中,IGSO与MEO的轨道精度优于GEO,径向精度优于切向和法向;星载钟差均值优于12.1ns;URE和SISRE均值分别优于1.0和1.2m;BDS-3MEO卫星轨道径向、切向、法向均值分别优于0.2、0.8、0.4m,径向和法向比BDS-2 MEO分别提高45.8%与21.1%;BDS-3卫星星载钟差均值优于7.7ns,比BDS-2提高36.2%;BDS-3的URE和SISRE均值分别优于0.6和0.5m,比BDS-2分别提高42.9%和47.4%。

关键词： BDS-2 BDS-3 用户测距误差空间信号测距误差精度评估

利用分步Kalman滤波器的自主定轨信息融合算法

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宇航学报 2013年第3期34卷 333-339页

作者：尚琳刘国华刘善伍张锐李国通上海微小卫星工程中心.上海200050 中科院上海微系统与信息技术研究所上海200050

将星敏感器/红外地平仪的天文定轨信息与星间观测进行信息融合是消除基于星间链路自主定轨中星座整体旋转问题的有效途径。针对两种定轨方法精度相差较大导致融合效果较差的问题,提出了一种分步Kalman滤波算法。该算法利用星敏感器观测... 详细信息

将星敏感器/红外地平仪的天文定轨信息与星间观测进行信息融合是消除基于星间链路自主定轨中星座整体旋转问题的有效途径。针对两种定轨方法精度相差较大导致融合效果较差的问题,提出了一种分步Kalman滤波算法。该算法利用星敏感器观测信息能够有效修正旋转参数的特点,将星敏感器观测信息和星间观测信息进行分步处理和最优信息融合以消除自主定轨算法中存在的星座整体旋转误差,提高定轨精度。通过对Walker星座的仿真表明,利用提出的分步Kalman滤波信息融合算法,星座自主定轨60天后星座URE误差能够稳定在1.5米以内,且能有效消除星座整体旋转误差。

关键词：自主导航信息融合分步Kalman滤波用户测距误差

基于BP神经网络的自主定轨自适应Kalman滤波算法

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宇航学报 2013年第7期34卷 926-931页

作者：尚琳刘国华张锐李国通上海微小卫星工程中心上海200050 中科院上海微系统与信息技术研究所上海200050

针对Sage-Husa自适应滤波方法存在的窗函数开窗大小选择问题,提出一种基于BP神经网络学习估计系统协方差矩阵的自适应Kalman滤波算法。该算法以Kalman滤波预测残差向量作为网络输入,通过网络分段离线学习确定预测残差向量与预测残差协... 详细信息

针对Sage-Husa自适应滤波方法存在的窗函数开窗大小选择问题,提出一种基于BP神经网络学习估计系统协方差矩阵的自适应Kalman滤波算法。该算法以Kalman滤波预测残差向量作为网络输入,通过网络分段离线学习确定预测残差向量与预测残差协方差矩阵间的非线性关系,自适应地估计Kalman滤波系统协方差矩阵。将其应用到自主定轨系统,仿真结果表明利用本文算法自主定轨60天星座平均URE误差小于1.9米,且能够快速跟踪到系统噪声的突变,较Kalman滤波方法和Sage-Husa自适应滤波方法具有更好的性能。

关键词： BP神经网络自主定轨自适应Kalman滤波用户测距误差

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利用锚固站时序差分测量消除星座旋转误差

武汉大学学报（信息科学版） 2013年第8期38卷 920-924页

作者：尚琳任前义张锐李国通上海微小卫星工程中心上海市海科路99号201203 中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海市长宁路865号200050

地面锚固站能够有效解决自主定轨中存在的星座整体旋转问题,但由于星地链路存在电离层延迟、对流层延迟等较大的测距系统误差,引入锚固站后的自主定轨精度较差。针对这一问题,本文提出了一种地面锚固站时序差分测量方法,利用短时间内导... 详细信息

地面锚固站能够有效解决自主定轨中存在的星座整体旋转问题,但由于星地链路存在电离层延迟、对流层延迟等较大的测距系统误差,引入锚固站后的自主定轨精度较差。针对这一问题,本文提出了一种地面锚固站时序差分测量方法,利用短时间内导航卫星星地链路测距系统误差变化较小的原理,对同一测距链路前后不同观测历元的测距值进行差分。仿真结果表明,利用两个或两个以上地面锚固站单历元差分观测或者一个地面锚固站多历元差分测量可以有效抑制星座的整体旋转,且差分测量较直接测量方法有更高的自主定轨精度。

关键词：自主定轨星座旋转锚固站用户测距误差