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杨元喜:北斗全球试验系统性能分析

泰伯网2017-09-16 13:53:51

摘要: 北斗三代系统之后,我们将着力构建综合PNT体系,用不同原理和多种信息源构成不可能被中断的PNT体系,这就是综合PNT。

  泰伯网讯 9月16日,第六届中国卫星导航与位置服务年会暨首届卫星应用国际博览会在深圳龙岗召开,本次会议以“超越卫星导航 共享天地信息”为主题,由中国卫星导航定位协会、中国遥感应用协会、中国卫星全球服务联盟合作主办。

  在本届大会的高端论坛上,中国科学院院士杨元喜做了题为《北斗全球试验系统性能分析》的主题报告。

杨元喜:北斗全球试验系统性能分析

  以下为中国科学院院士杨元喜的主题演讲(内容未经本人核实):

  各位同行,各位老师,下面由我来汇报一下北斗卫星导航系统的最新进展,尤其讲一下北斗三代系统的分析。北斗卫星导航系统也是我们国家定位导航实验室核心基础设施,北斗发展策略是合理的,是三步走,但是我认为它不是最优的,最优的北斗设计应该是顶层设计是最优的,但是我们一直在改,这是我们一个先天不足。我们已经完成了北斗1和北斗2,发挥了很好的作用,应为现在的北斗3奠定了基础,北斗3是北斗1和北斗2的继续和新的增长点。

  北斗卫星导航系统,国家经济战略全球化,卫星导航系统应该是全球化。同样我们国家是海洋战略,需要全球北斗不是区域北斗,所谓“一带一路”战略,“一带一路”战略不是靠区域北斗系统,而是全球的。经济强国、国防强国、政治大国如果没有强大的空间卫星导航系统是不齐备的,所以习主席在去年的大会上强调我们国家应该深空、深地、深海发展,需要全球的卫星导航系统。

  北斗卫星导航系统2号运行以来,我下面简单介绍一下北斗卫星导航系统2号的进展,2012年12月运行,当时是14颗卫星,由RDSS和RNSS体制,服务区域当时限制55度到180度,南纬55,北纬55,精度10米,寿命比较弱,我们需要改进它。

  天基增强系统,已经建成了天基增强和地基增强,去年我们又发射了两颗卫星,今年6月7号北斗增强地基系统通过验收,建设范围之内精度可以提供米级、分米。北斗3号试验系统是瞄准全球目标的,我们已发射了5颗试验卫星,我们试验了四个频率,包括BD、B2、B3和Bs。

  在试验系统当中,主要试验内容包括这些内容,试验各种技术体制的状态,试验卫星和运控的协同,开展星间链路的综合验证,开展了上行注入与下行评估,系统时间验证,我们认为已经达到了预期目标。在最右面的Sys3,大家比较一下会发现这次试验的S频率、B1频率、B2频率,当然B3和B2业务是重叠的。我们增加了星间链路,采用检验与故障诊断技术,提高运控系统的精度,我们采用高精度的技术。

  在系统性能改进方面,我们这次采用新的原子,昨天的中国北斗3号提高了一个量级,这个话是有误的,从来没有做过这个发言,卫星终差2小时预报精度约为0.4ns,优于BD-2结果,监测接收机测距误差最低0.04ns。

  在新的观测数据多性定轨三维位置精度优于1.5m,预报2小时URE精度约为0.5m。星地星间联合定轨精度1m,预报2小时空间信号硬度0.31m,优于仅星地观测定规精度,星地星间链路观测数据组合定轨,轨道T方向精度大幅提升,定轨精度提升63.1%。

  电离层精度,这次采用14参数Klobuchar而模型和BDSSH模型,具备BDS基本完好性。这是我们做的一个实实在在的计算,对这个红的信号,s频点的变化,信噪比除了s频点稍微差一点,其他都还好。在相同高度角条件下,MEO卫星信噪比要比IGSO卫星高2-3dB。

  伪距噪声,我们把若干个数据的频点,B1C等等做了一个计算,B1C这个频点的噪声明显比其他信号要高,B2A伪距噪声外部精度是最好的,好于其他的频点。再把四颗卫星、两个云轨道做一个比较,大家会发现同一个信号伪距噪声精度在同类卫星间基本一致,在各类导航信号当中,B1C仍然是最差的,在各个导航信号当中,B2a+b信号是最好的,s频点信号差,尽管差比B2C都要好,这是我们的结果。

  我告诉大家一个很好的消息,这个颜色的是卫星轨道,这是多路径的情况,这次多路径有显著减弱。这是倾斜轨道和云轨道的运行,s频点多运行,尽管它有一点偏差,但是也不是很明显。大家会发现这几个频点的伪距路径,各个频点都有不同的颜色,各导航信号当中,B1C信号抗多路径能力最差。

  再跟北斗2比较,这两个都是北斗2的,北斗2用C14,大家会发现北斗3卫星路径已经得到了显著的改善。把北斗2和北斗3试验卫星做一个比较,大家会发现试验卫星质量都要比北斗2好很多。

  空间信号的精度,我们把B2所有精点做了一个比较,倾斜轨道、云轨道,两个倾斜轨道在两边,这就是我们实实在在的测量精度,这是我们用户的,为了不做广告,没有广告嫌疑,这个结果是非常理想的,B12和B32的结果。

  多频接收机和兼容接收机做了一个结果,我们把北斗2的结果,水平平度3.5到4.3,高程精度3.8到5.9米,如果都是北斗2这个精度会有明显提升。

  我们用监测型接收机,大家会发现大概精度都好于7米,都在6米多。我们把时间精度也做了一个比较,大家会发现我们大多数信号的时间精度10个ns。

  对试验卫星的基本小结是这样,兼容终端测距精度0.4m-1m,测速精度0.17m/s为,试验卫星授时精度11ns-28ns,监测接收机1.23ms。

  发射了5颗试验卫星,3颗MEO、2颗IGSO。建成1个试验主控站、1个试验注入站、7个试验监测站组成的地面运控系统。

  我们设计了适合星载一期和二期PRM编码参数和时效参数,采用了18参数广播星历模型和9参数的BDSSH全球电离层延迟模型。

  我们把北斗末端参考信号一致性由一期的0.5n而s提升到了0.3ns,频率准确度是5×10的十三次方每天提高到6×10的十四次方,设计了基于多种约束条件的多性定轨和卫星终差。

  北斗3开始建设,2016年9月正式开始北斗3的建设,北斗3按照国际标准提供星基增强服务,北斗3将增设星间链路。

  它的运控系统产生很大变化,将增加星间链路测控,采用数据光纤传输,我们通过数据处理增加了自主导航处理系统和仿真测试评估系统,轨道与终差计算增加星间观测数据,增加我国学者自研的电离层改正模型和软件,增加了并行运控模式,提高运控系统稳健型,Robustness算法,增加备份运控和机动运控,增加了自主运控能力。

  因为卫星导航系统是脆弱的,一旦信号被遮挡,一旦到了水下、室内、井下它就没信号,未来在国防、电力、金融等核心基础设施信号是不能中断的,怎么办?我觉得我们一定要构建一个坚韧可靠的全空间PNT服务体系,这是我们下面的目标,这个目标的大概构思是这样,从深空到水下立体PNT信号源,我们可以布设一些卫星,再和高空的GNSS卫星做一个结合,地面、海面、海底这样综合进行处理,我特别要声明,在海底控制点方面我们是不足的,未来的海洋强国几乎是一句空话。

杨元喜:北斗全球试验系统性能分析

  综合PNT我当时给了一个定义,用不同原理、多种信息源形成的,让PNT不可能被中断,PNT的组成,这就是综合的PNT,天文导航、天基增强、地基增强、海基导航信息、量子惯导等等。

  综合PNT我把它分为七层信息,第一层是脉冲星可能提供的一部分信息,这个我们特别希望把它做成,在拉格朗日点上构成星座,高轨GNSS星座,这是第三层,低轨卫星不一定是导航卫星,作为第四层,星间链路自主定轨定时,量子干涉卫星网络,量子导航可能成为可能,这是我的胡思乱想,不一定能成立,我把它作为信息四层+,地基第五层,海面第六层,海底第七层。

  它的终端部分,由脉冲星X射线接收终端、抗感染GNSS终端、增强信号接收终端、量子导航接收终端、微型原子终终端、微惯导终端、量子惯导终端、匹配导航终端、海底声呐接收终端、各类终端。

  北斗2号系统取得了丰富的应用成果,为北斗全球系统建设积累了经验,北斗3号试验系统试验内容全面,成果丰富,北斗3号试验系统信号性能明显优于北斗2号系统,多径效应、伪距增噪声都有较大幅度改善,卫星终性能的提升,支撑了测距,星间链路体制有力支撑了高精度卫星轨道和卫生终差测定与预报,高起点的基础上再来设计北斗3系统,我们坚信北斗3一定在现有的基础上,一定得到一次新的提升。

  北斗3号系统之后,我们将着力构建综合PNT体系,我希望信息多元化、空间一体化,传感器高度机车和和小型化,PNT时空基准归一化,运控手段云平台化,让所有用户都能为我们运控,PNT信息融合自适应化,PNT对重数据处理稳健化,PNT服务模式智能化。

  这就是我要向大家汇报的,感谢各位。

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