短基线约束条件下的整周模糊度二维搜索算法

通过对基线仰角和方位角的搜索,在二次残差最小的条件下确定整周模糊度。建立了搜索模型,论述了搜索原理及其应用的具体过程,推导了粗搜索和精搜索的步长。通过试验与最小二乘降相关平差(Least-squares Ambiguity Decorrelation Adjustment,LAMBDA)算法进行分析比较,验证了新方法的正确性及可靠性,得到了1cm的基线精度,0.6°的仰角和0.4°的方位角精度,且算法简单,搜索效率高,适用于载体的姿态测量。     

基于序列影像的小天体三维形状重建方法研究

提出了一种基于序列影像的小天体三维形状重建方法。利用小天体序列影像间的内在几何约束关系,在无精确位置、姿态数据的条件下,基于稀疏光束法平差求解小天体序列影像的相对位置、姿态。综合利用核线几何约束、半全局匹配、多视最小二乘匹配等策略进行小天体序列影像的密集匹配,重建小天体三维形状信息。由于小天体序列影像尺度变化大、纹理贫乏,导致影像匹配的误匹配率较高,在匹配过程中采用随机KD树搜索策略与拟合透视变换模型的RANSAC算法剔除粗差。利用"黎明号"探测器的绕飞段实测影像,对灶神星(VESTA)的三维形状重建进行了实验,结果证明了该方法的有效性。     

多套测试系统比对试验中标准差处理方法

针对全组合测量的数据，根据最小二乘法原理，提出了一种特殊的多套测试系统精度比对实验中标准差的最小二乘平差处理方法，当比对套数ｍ＞３时，利用此方法可分解开究竟哪一台仪器（或哪一套测试系统）的标准差最小，哪一台其次，从而评定参与比对各仪器精度的优劣，并以五套测速比对系统为例进行分析、论证。     

直线度平面度测量平差的研究

为了减小节距法测量直线度和平面度时原始数据的不确定性误差 ,采用最小二乘平差理论解决了直线度测量平差的理论问题 ,并对平面度测量平差的方案进行了对比分析。通过大量实验验证了平差方法的有效性。对平直度测量标准的制定以及提高工程检测准确度有实际应用意义。     

联合CDGPS技术和星间相对测量进行编队星座状态确定

以空间圆3星编队星座为对象,建立了联合GPS载波相位差分(Carrier phase Differential GPS,CDGPS)和星间相对测量进行编队星座状态确定的数学模型;利用高精度的星间相对测量信息给星间公里级基线提供厘米级约束,极大地缩小了星间单差模糊度的搜索空间,进而在卫星无需机动的情况下采用Bayes最小二乘法快速解算出星间GPS载波相位单差整周模糊度;最后数学仿真证明了方法的有效性,结果表明卫星间相对位詈确定精度达10^-2m．卫星姿态确定精度达10^-3rad．     

卫星精密轨道抗差估计的研究

建立了卫星精密轨道抗差估计批处理的模型，给出了抗差估计权函数、影响函数等方面论述了抗差估计批处理的抗差性，从理论上说明了抗差估计批处理能充分利用有效观测，限制了利用可用观测，排除了有害粗差影响，得到了正常模式下的最佳估值；给出了抗差估计批处理的计算步骤；应用激光测距数据对Lageos卫星进行了精密定轨，结果表明，抗差估计比经典最小二乘估计得到的卫星轨道更稳定，由实际情况进一步说明了抗差估计批处理具有明显的抗差性。     

基于星敏感器的两种姿态确定算法比较分析

介绍了星敏感器的两种姿态确定算法：最小二乘算法和QUEST算法,推导了最小二乘算法和QUEST算法求解三轴姿态的公式;比较了两种算法在不同恒星数目下的计算精度以及在全天区范围内的计算精度;利用实例说明QUEST算法不仅在全天区范围内姿态计算精度高于最小二乘算法,而且在观测星数量较少,且观测星座呈现较为不利的构型时仍然具有较高的计算精度.     

一种适用于星间测距网的抗差方案设计

主要讨论了利用星间测距进行星座自主导航的导航算法设计,考虑系统的自主性,算法必须具有检测错误节点和抵抗粗差的能力。为此,文章通过分析星间测距网的特殊性,提出一种以抗差最小二乘为基础,适用于星间测距网的抗差方案。根据失效节点和观测粗差对残差影响的差异,提出分步处理的方法。通过算例比较几种常见抗差方案,验证了文中设计的抗差方案的有效性。     

基于双GPS接收机的精密定向研究

GPS定位系统除了可以进行定位、测速和授时外 ,还可以利用两个或多个GPS测量值进行方位测量和三轴姿态测量。文章对利用两块GPSOEM板同步接收的载波相位观测量来精密测定方位进行了深入研究。首先利用载波相位的双差观测方程 ;再根据两个天线间距离已知这个条件 ,对方位和俯仰进行二维搜索 ,并采用了模糊度函数作为搜索的判断依据 ;最后根据最小二乘计算出两个天线的基线矢量 ,从而最终计算出精密的方位值和俯仰角。经过大量的试验表明 ,该算法是切实可行的 ,在 5m基线下 ,方位精度达到 0 0 8°,而且定向时间一般只需 1min左右     

一种基于星表特征直线匹配的着陆器位姿估计算法

针对深空探测星际着陆过程中的自主导航问题,提出一种基于星表特征直线的着陆器位姿估计算法。该算法首先采用EDLine算法对着陆过程中所拍摄的图像进行特征直线提取;其次根据直线局部特征对特征直线进行匹配;之后利用至少3对已匹配的特征直线,建立关于着陆器位姿的几何约束方程;然后根据奇异值分解法得到着陆器位姿的候选解;最终通过最小二乘法从候选解中选取着陆器位置、姿态的唯一解。仿真结果表明:该算法可以快速估计着陆器位姿,且在高度为2 000 m时位置误差小于2 m、姿态误差小于0.10°。     

双星定姿技术试验研究

本文深入探讨了双星定姿方法,仅利用2颗GPS卫星进行了实际的双星定姿试验.文中综合应用长短基线法和序列优化法求解整周模糊度.试验结果表明,当基线长约1m时,该方法定姿成功率达90%以上,定姿均方差优于0.5°      

三星编队星座星间相对状态自主确定

在星间无线电相对状态测量系统中,针对三星编队星座相对状态联合解算时观测方程的几何结构比较弱、法方程病态的情况,提出了基于部分参数加权平差的相对状态解算方法。首先给出三星编队星座系统相对状态解算的数学模型,然后比较了联合解算方法和部分参数加权平差方法,最后对仿真结果进行分析。分析结果表明,使用基于部分参数加权平差的相对状态解算方法能够自主确定三星编队星座的相对状态。     

GPS实时定姿系统的设计与实现

以GPS OEM板为基本硬件,在自行研制GPS实时定姿软件的基础上,搭建了GPS实时定姿系统。该系统硬件结构简单,成本低廉。定姿软件解决了数据接收、解码、同步,模糊数快速计算,动态检校等关键技术。经多次静态、动态试验验证,系统运行稳定,动态跟踪性能良好。基线长度为1.2m时,定姿精度优于0.3°,可单独用于系统的导航,或作为系统导航设备的校准装置,具有很好的应用价值。     

基于地标信息的星敏感器低频误差标定方法

针对星敏感器及其安装结构热变形等因素引起的星敏感器低频误差(LFE)影响卫星姿态确定精度的问题,提出了根据有效载荷提供的地标信息,采用最小二乘算法标定星敏感器低频误差的方法.考虑到卫星姿态确定系统是为有效载荷服务的,为了使卫星姿态确定系统输出的姿态信息与有效载荷相一致,从而准确反映有效载荷的指向变化情况,星敏感器低频误差的标定以有效载荷提供的地标信息为观测量进行.仿真结果表明,所提方法能够有效减弱星敏感器低频误差对卫星姿态确定精度的影响,从而提高卫星姿态确定精度.     

基于矢量观测的航天器分段信息融合定姿方法

针对基于MEMS(微机电系统)陀螺和CMOS APS星敏感器的集成惯性/星光姿态确定系统的低精度特点,研究了适用于该定姿系统的基于矢量观测的定姿算法.对于陀螺/星敏感器这种配置模式,有EKF(Extended Kalman Filter)、QUEST、最优REQUEST等几种适用的定姿算法.针对EKF和最优REQUEST算法的不同特点并结合确定性算法QUEST,以四元数为姿态参数,将姿态估计的EKF方法分别与QUEST算法和最优REQUEST算法进行了融合,提出一种分段信息融合的姿态估计器:陀螺漂移估计误差较大时,将EKF与QUEST结合,快速估计出陀螺漂移.当陀螺漂移误差减小到一定程度,再切换为EKF与最优REQUEST算法融合的双重滤波器.仿真比较结果表明,这种分段信息融合的姿态估计器既可以估计姿态参数也可以估计陀螺漂移,并能达到很高的定姿精度.     

使用三天线的联合定姿和欺骗检测方法

全球卫星导航系统（GNSS）的安全性已经引发了广泛关注。使用多天线的欺骗检测方法由于其独一无二的空间特性,已成为当前最有效的欺骗检测方法之一。提出一种使用三天线的联合定姿和欺骗检测方法,能够在确定天线载体姿态的同时检测出欺骗信号的存在。针对直接定姿法受限于基线向量精度的问题,使用长度约束的基线向量估计方法以获得高精度定姿结果。在姿态信息已知的前提下,根据星历信息、姿态变换矩阵及天线的几何关系可以获得载波相位单差的期望值。使用误差平方和（SSE）来评估载波相位单差观测值和期望值之间的偏差,并构建了欺骗信号的二元检验。结果表明：在无欺骗的情形下,所提方法能降低定姿的标准差76.1%以上;在有欺骗的情形,所提方法能够实现100%检测率,并降低定姿的标准差77.3%以上。     

Integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop simulations for autonomous satellite formation flying

Development and experiment of an integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop (HIL) simulator for autonomous satellite formation flying are presented. The integrated simulator system consists of an orbit HIL simulator for orbit determination and control, and an attitude HIL simulator for attitude determination and control. The integrated simulator involves four processes (orbit determination, orbit control, attitude determination, and attitude control), which interact with each other in the same way as actual flight processes do. Orbit determination is conducted by a relative navigation algorithm using double-difference GPS measurements based on the extended Kalman filter (EKF). Orbit control is performed by a state-dependent Riccati equation (SDRE) technique that is utilized as a nonlinear controller for the formation control problem. Attitude is determined from an attitude heading reference system (AHRS) sensor, and a proportional-derivative (PD) feedback controller is used to control the attitude HIL simulator using three momentum wheel assemblies. Integrated orbit and attitude simulations are performed for a formation reconfiguration scenario. By performing the four processes adequately, the desired formation reconfiguration from a baseline of 500–1000 m was achieved with meter-level position error and millimeter-level relative position navigation. This HIL simulation demonstrates the performance of the integrated HIL simulator and the feasibility of the applied algorithms in a real-time environment. Furthermore, the integrated HIL simulator system developed in the current study can be used as a ground-based testing environment to reproduce possible actual satellite formation operations.     

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.     

一种模型误差鲁棒的卫星姿态确定方法

提出一种结合非线性预测滤波和二阶插值滤波实现基于星光/陀螺的高精度姿态确定的新算法.该算法用非线性预测滤波估计模型误差,再对补偿后的模型用高精度的二阶插值滤波来估计姿态参数.解决了在卫星实际运行中难以获得姿态确定系统的精确动力学模型,采用传统EKF(Extended Kalman Filter)将模型误差作为零均值白噪声处理,导致滤波精度降低甚至发散的问题.同时,二阶插值滤波将非线性模型按照二阶近似,无需计算函数偏导数,得到高精度的卫星姿态估计.仿真验证了该方法能有效地实时估计并补偿模型误差,提高了姿态估计的精度,且估计精度受滤波周期的影响不大,从而验证了算法的鲁棒性和有效性.