面向低轨通信星座的导航定位方法比对研究

当前基于低轨卫星的导航定位方法研究成为国内外热点,其中基于低轨通信卫星的导航定位技术更是当前研究的重点方向。然而低轨通信星座较低的时空基准精度给导航定位带来了较大的挑战,针对弱时空基准约束的低轨卫星导航定位体制设计还处在研究的初级阶段。本文针对低轨通信星座的导航定位服务需求,基于LEO通信卫星的伪码测距信号与多普勒测频信号,开展精度因子（Dilution of Precision,DOP）及定位精度均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）分析,并对两类测量体制下的低轨通信星座导航定位服务性能进行分析论证。理论分析与仿真结果表明,在设定低轨通信卫星10 m～30 m弱时空基准误差的约束下,多普勒测频体制具有更优的导航定位精度,其周期平滑后的三维RMSE值为1.28 m,相比伪码测距体制下的三维RMSE值优化了86.8%;二维RMSE值为0.99 m,相比于伪码测距体制提升了52.9%。本文提出了一种较为可靠的低轨通信星座多普勒定位方案,为未来低轨通信卫星用于导航定位服务提供了有益参考。     

低轨星座通导一体化：现状、机遇和挑战

随着毫米波、高通量卫星通信等技术日渐成熟，及其对全球宽带通信服务的迫切需求，低轨巨型通信星座建设受到极大关注，高达数千颗卫星的低轨通信星座被部署，大量部署的低轨通信卫星实现了高频射频信号对地面的多重覆盖，同时地面通信资源为信号接收提供了硬件平台，为通信导航一体化的发展创造了条件。讨论了低轨通导一体化星座的现状、机遇和挑战，重点阐述了低轨通导一体化星座与全球卫星导航系统所需资源的差异，按照空间段、地面段和用户段分别进行了阐述，最后给出了结论和对未来研究的展望。     

Mesh自组网与惯导组合的班组协同定位算法研究

采用单一低精度惯性传感终端完成定位解算将导致定位精度发散,定位信息回传覆盖范围小,且传输易受干扰,因此,该文提出了一种Mesh自组网与惯导组合的班组协同定位方法。该方法建立的一种基于线性化卡尔曼滤波的班组协同定位算法模型,以高、低精度惯导组合的班组协同为基础,结合Mesh网络的通信传输功能,可抑制单一低精度惯性传感终端的短期累积误差,提高长航时定位精度。实验结果表明,采用班组协同定位算法,低精度惯性班组人员定位的闭环轨迹误差分别降低3.28%和3.2%,30 min累积定位平均误差分别降低5.82%和643%,有效抑制了单一低精度惯性定位成员的短期累积误差,提升了班组整体的定位精度。     

基于星间激光测距的高轨卫星定位技术研究

针对传统的高轨卫星定位技术存在定位精度低的问题,提出了基于基于星间激光测距的高轨卫星定位技术。在高轨卫星飞行器上安装低噪声激光探测器,借助激光探测器、发射机以及接收器构建星间通信链路,分析接收天线的接收功率与发射天线的发射功率之间的关系,通过激光脉冲传输空间测距与高轨卫星信号捕获接收功率和发射功率获得定位初始数据;再分析星间相对运动和修正电离层误差,得到定位数据的精确解算融合结果。选取精度因子DOP作为评判高轨卫星定位技术的参数,通过仿真实验发现高轨卫星定位技术比传统定位技术的平均DOP值高2.89,由此证明所提定位技术的定位精度更高。     

低轨红外预警星座无源定位精度分析

建立了低轨红外预警星座的三维成像观测模型,分析了多测量因素条件下低轨红外预警星座的无源定位精度,研究了不同星座布局条件下像平面测量误差、卫星位置测量误差以及欧拉角测量误差等因素对定位精度的影响。仿真实验表明,本文的定位精度分析方法能够有效分析低轨红外预警星座的定位精度。从仿真实验结果得到了一些可用于低轨红外预警星座设计和传感器调度的指导性结论。     

MIMO场景下的低轨卫星选星算法

低轨(LEO)宽带星座卫星通信作为地面5G无线通信系统的重要补充,始终面临地面可视卫星数量大、传统选星算法计算复杂度高等难题。为实现高效的卫星分组选择算法,基于多输入多输出(MIMO)系统原理,以大尺度路径损耗模型为基础,结合递减卫星选择算法,从而以较低计算复杂度、更快收敛速度有效逼近最优容量性能。该算法在典型LEO星座系统构型下通过数值仿真得到了验证,为未来5G低轨卫星星座通信传输方案设计提供了一种参考思路。     

基于遗传算法的低轨天基雷达星座设计

从目标监视性能的角度出发,分析了低轨天基雷达星座的卫星总数、能量需求以及星座发射费用等优化目标。综合考虑了Walker星座的碰撞等约束问题,建立了低轨天基雷达星座设计的优化目标。提出了一种基于遗传算法的低轨天基雷达星座设计方法。根据天基雷达星座的特点,该算法在进化过程中使用了非可行解修正和约束分级等约束处理方法,有效提高了算法的运算效率。通过仿真实验验证了该方法能够有效的同时优化低轨天基雷达星座的构形和卫星参数。     

面向低轨巨型星座的多目标卫星接入优化

低轨巨型星座可以提供全球无缝覆盖的卫星通信服务,但也会导致用户被卫星多重覆盖,如何选择最优的卫星进行接入,成为低轨巨型星座接入技术的关键问题。对此,提出一种基于粒子群的多目标卫星接入优化算法。综合考虑星地距离、卫星剩余可服务时间和卫星剩余负载等目标函数,根据不同业务类型的QoS需求,对参数赋予相应的权值;针对可视卫星数量多且动态变化的特点,通过粒子群算法进行低复杂度求解。仿真表明,相较于对比算法,所提算法对星地距离和卫星剩余可服务时间进行了优化折中,保障了服务时间和通信质量,提高了接入成功率,能够灵活满足用户的不同业务类型需求,适应用户业务不同时空分布以及业务离散化的场景。     

低轨卫星对空间目标的三维定位精度分析

建立了低轨卫星对空间目标的三维观测模型和定位方法，并对采用该方法时，各种因素对定位精度的影响进行了理论分析，给出了三维空间中不同高度的定位精度几何稀释（GDOP），得出了有意义的结论，可为低轨卫星星座设计和传感器调度提供参考依据。     

基于分布式星群的双层星座设计

当前,陆地通信系统已无法满足日益复杂的信息需求,利用空间信息网络实现全球范围内的无缝覆盖和高效容量传输成为研究热点。现有卫星通信系统以单层星座为主,缺少高低轨卫星之间的协同。提出了一种基于分布式星群的双层星座设计,以基于分布式星群的低轨卫星作为网络架构的基础,采用星间链路实现低轨卫星之间的通信,通过高轨卫星实现中低纬度地区覆盖性能加强。仿真结果表明,所提方法在仅依靠在国内部署卫星地面站的前提下可实现全球多重覆盖。     

基于改进的CKF低轨卫星多普勒定位解算

针对低轨卫星多普勒定位中最小二乘法(the least squar method, LSM)和扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter, EKF)带来的解算误差,采用容积卡尔曼滤波(cubature Kalmanfilter, CKF)算法的思想来进行定位解算。首先设计了一种基于GeoSOT剖分网格的初值搜索方法进行粗定位,避免迭代发散;在解算过程中,对CKF进行改进,用QR分解代替其中的Cholesky分解,防止误差协方差矩阵非正定导致计算终止;最后以铱星星座对地面站的静态定位为例,通过STK 进行仿真验证算法的有效性。结果表明,改进的CKF(improvedCKF, ICKF)算法对于目标的定位误差在百米以内;且相较于LSM 和EKF,定位精度大约可以提高17%。     

面向无人机进场的伪卫星布局与定位仿真技术

伪卫星系统能够在全球导航卫星系统信号拒止情况下,独立辅助无人机精密进近。 本文面向无人机进场引导需求,基于伪卫星系统,给出了工程实用中伪卫星布设的一些约束条件和选址方法;基于双频的伪卫星信号,建立宽巷组合并结合卡尔曼滤波技术实现整周模糊度的快速估计,利用高精度的载波测量值进行定位解算。通过典型场景下伪卫星布局设计和宽巷载波相位定位算法建模,仿真验证了所提伪卫星布设方法的有效性以及整周模糊度确定方法的正确性, 同时与单频伪距定位相比,定位精度显著提升。     

面向6G通信的多层低轨卫星网络路由算法

在面向6G的移动通信网络中,低轨卫星网络（LEO, Low Earth Orbit）运行高度低、时延小,可大范围部署实现全球广域低时延通信。当前低轨卫星星座正朝着多层轨道面发展,多层轨道的跨层链路增加了数据传输路径,但跨层轨间链路的频繁通断,增大了多层LEO网络层间路由选择的难度。为此提出了一种面向6G移动通信的多层LEO卫星网络路由算法。首先建立跨层链路,面向端到端传输时延和可靠性需求,分析影响跨层轨间链路频繁通断的因素,基于LEO卫星网络虚拟位置思想,选择卫星节点对建立可靠跨层链路;然后实现路由选择,基于所建立的跨层星间链路,采用时空演化图模型刻画动态网络拓扑,设计最短路径算法计算最佳传输路径。最后,构建三层卫星网络场景对所提算法进行仿真验证。结果表明,相对于现有方法,所提算法在端到端时延和可靠性均有明显提升。     

单通道盲源分离在低轨星座系统间干扰减缓中的应用

针对低轨星座系统间同频干扰问题,从信号分割角度,提出了基于单通道盲源分离的干扰减缓方法。该方法应用了单通道盲源分离算法,先通过奇异谱分析算法对地球站观测信号进行处理,构造多维轨迹矩阵;再利用快速固定点算法将干扰信号和受扰信号分离。以OneWeb和Starlink系统为例,通过所提方法将OneWeb地球站接收到的OneWeb、Starlink以及噪声的混合信号进行分解,并利用相关系数和均方根误差评估了方法的有效性。结果表明,原始信号与分离信号之间的相关系数都在0.8以上,所提方法能有效提取有用信号,减缓低轨星座系统间干扰。     

一种新型的INS与UWB融合的室内行人跟踪方法

针对单一室内定位系统定位精度低、鲁棒性差的问题,提出了一种新型的基于动态鲁棒容积卡尔曼滤波的超宽带(Ultra-wideband,UWB)与惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)融合的定位方法.首先建立了一种易于实现的UWB-INS融合定位框架,然后提出了一种动态鲁棒容积卡尔曼滤波算法以处理多源数据的融合.提出的滤波算法可将M估计理论、强跟踪算法、动态增强策略与传统的容积卡尔曼滤波算法结合,以此缓解外界噪声和系统模型误差对状态估计的不利影响.在UWB-INS组合定位框架内采用动态鲁棒容积卡尔曼滤波,可实现对室内行人运动轨迹的精确稳定跟踪.实际数据测试和Matlab仿真验证了所提方法在复杂环境下其定位精度和鲁棒性均优于单一依赖UWB或INS技术的定位系统.     

一种GNSS多星座的抗差伪距单点定位算法

为抑制因导航星座间差异和故障卫星对多星座伪距单点定位产生的负面影响,通过分析多星座与单星座伪距单点定位的异同和多星座粗差探测方法,提出了在不同伪距质量下选择不同方法对伪距偏差状况进行估计,再基于平差理论、M估计和核函数构造三段式权值,实现能在不同环境下选择较优模型的对不同卫星赋予不同权值的新型抗差伪距定位算法。通过国际GPS服务组织（IGS）站点实测数据验证,该算法在不同情况下均能实现较高精度的定位结果,具有较优的抗差性能和定位精度。与传统抗差定位算法比较进一步验证了所提算法的优越性。相关结论对未来多星座定位算法的研究具有较大意义。     

基于星间测距的卫星自主定轨研究与仿真

提出了一种利用星间距离信息和扩展卡尔曼滤波算法确定卫星的位置和速度的方法。利用STK软件建立GPS星座,将1颗目标卫星与3颗参考卫星之间的距离引入一定的误差作为星间观测值,利用扩展卡尔曼滤波算法实现卫星的自主定轨。并对算法进行了改进,利用几何准确度因子GDOP值控制参考卫星的选择,消除了误差峰值。运算结果表明改进后的算法有很好的收敛性,提高了定轨准确度。     

基于低轨通信星座的全球导航增强系统

针对我国难以全球建站实现全球连续监测,以及当前全球卫星导航系统(GNSS)精密定位收敛速度慢的难题,提出一种基于低轨全球通信星座的全球导航增强系统。该系统不需独立建设,可与低轨通信星座融合发展。低轨卫星既可作为“天基监测站”,又可作为“导航信息源”。结合正在发展的低轨鸿雁全球通信系统进行仿真分析,作为“天基监测站”时,通过配置高精确度GNSS接收机,采用“地面区域监测网+天基全球监测网”的观测体制,实现中高轨导航卫星与低轨通信卫星的联合精密定轨与钟差确定;作为“导航信息源”时,可降低几何精确度因子(GDOP)值和缩短精密单点定位首次收敛时间,相比只利用北斗单系统,在收敛时间方面具有显著优势,收敛时间从30 min缩短到5 min以内。     

低轨卫星星座快速响应链路损毁路由算法

设计高效弹性的卫星路由算法是未来低轨(Low Earth Orbit, LEO)卫星通信技术的一个重要发展方向。为解决低轨卫星星座网络中星间链路发生故障后存在的传输中断和数据安全问题,提出了一种低轨卫星星座快速响应链路损毁路由算法(Quick-response Link Destruction Routing Algorithm for LEO Satellite Constellation, QRLDRA)。QRLDRA以星座可预测拓扑作为星间路由计算基础,增加星地回传路由设计,快速将星间链路异常回传至地面计算中心处理;引入多优先级动态队列,根据节点链路状态调整星间链路不同数据传输的优先级;综合路由计算、路由上注、链路检测等功能,完成对拓扑变化的及时响应。通过仿真实验与传统算法的比较发现,所提算法有效提高了数据端到端传输的成功率,为用户业务服务质量(Quality of Service, QoS)提供了可靠保障。     

基于卡尔曼滤波的接收信号强度指示差值定位算法

针对频谱监测系统中被监测信号无法控制并且没有任何先验知识,只能通过对信号被动监测,即接收与处理信号来估计信号源位置的要求,该文提出一种基于接收信号强度指示差值(RSSID)的定位算法,并利用卡尔曼滤波提高其定位精度。该文将两监测站之间的RSSID转换成信号源到两监测站的距离之比,根据距离之比构造定位方程矩阵,进而利用最小二乘法求取信号源位置。仿真结果表明:所提算法比经典RSSI定位算法性能更优,降低了环境因素对定位精度的影响,并且能更好地满足参数较少的定位服务需求,可以有效地应用于频谱监测系统中。同时,卡尔曼滤波可以有效改善系统的定位精度,达到预期的定位效果。