多站连续波跟踪雷达的测速定轨研究

连续波跟踪测量系统中,测距元通道通常存在较大的系统误差,并且有时出现个别测元数据质量较差,不能应用的情况,而其变化率及其多站测速系统提供的测速数据,精度较高,且测元多,是否可以利用测速元数据直接定轨,精度如何,在实际数据处理及应用中具有重要意义。文章对利用测速元进行航天飞行器定轨进行了详细的研究和大量的计算,获得了相应的理论和计算结果,通过比较,提出了利用样条函数非线性估计轨道的方法,并提供了具体的算法和相应的误差估计公式。理论分析和计算结果表明：该方法轨道估计精度高,成功地解决了测速定轨问题,在实际中有广泛的应用价值。     

基于扩展Kalm an滤波的实时测速定轨算法

针对实时测速定轨 (即只用测速数据确定运动目标的状态参数 )的实现问题 ,研究了一种扩展 Kalman滤波方法 ,并利用其状态方程和线性化观测方程得到定轨算法。理论推导和仿真结果表明 ,此算法是收敛的 ,且精度较高。     

空间引力波探测器轨道确定及仿真分析

针对空间引力波探测器的精密轨道确定问题,选取LISA(Laser Interferometer Space Antenna)作为研究对象,建立了探测器的目标仿真环境,模拟生成美国深空网(Deep Space Network,DSN)和中国深空网(China Deep Space Network,CDSN)在不同测站下的测距测速数据,采用非线性加权最小二乘(Weighted Least Squares,WLS)和蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)分析跟踪弧长、测轨数据类型、测站数量及其分布等因素对LISA探测器定轨精度的影响。仿真结果表明:①增加测站的定轨弧长,可有效提高轨道确定精度,当跟踪弧段达到20 d时,探测器位置确定精度可达92 m;②在现有测量精度条件下,测距信息对定轨精度的贡献较大,测距/测速组合定轨方式与仅利用测距、测速定轨相比,估计的位置精度分别提高了32.23%、99.52%;③采用多测控网定轨模式可以提高多站共视比率,有利于提高定轨精度和收敛速度,DSN/CDSN联合定轨比仅采用DSN定轨的平均位置精度提高43.73%。     

环火星测量数据处理及精密轨道确定

为支持我国首次火星探测任务取得圆满成功，宇航动力学国家重点实验室将全自主开发的精密定轨平台系统，应用于环火星轨道确定中。为满足多对象、多弧段、多中心天体的定轨需求，平台系统设计了卫星结构、测站结构、观测结构和天体结构4大基础结构，并在4大基础结构之上，设计了灵活的弧段结构和估计结构。为验证平台系统是否具备环火星定轨能力，平台系统首先使用2020年上半年跟踪火星快车实验的数据对测量模型进行了检核，得到了理论测距和实测测距偏差（11m~21m）；其次，使用2009年实测双程测速和三程测速数据定轨，单独使用双程测速定轨，轨道与欧空局精密星历位置偏差最大不超过100m，测速残差的均方根（Root Mean Square, RMS）为0.0137(cm/s)。使用三程测速定轨，位置偏差不超过250m，三程测速RMS为0.0119（cm/s）；最后，使用两天三站测距仿真进行了自定轨验证，初轨和随机差都基本收敛回仿真初值。结果显示，宇航动力学国家重点实验室精密定轨系统能够满足我国首次火星探测任务的基本需求。     

基于扩展卡尔曼滤波的XPNAV-1卫星自主定轨算法研究

X射线脉冲星导航1号（XPNAV-1）是全球首颗脉冲星导航专用试验卫星。利用该卫星观测的单颗脉冲星数据,采用几何约束方法,能够有效抑制轨道误差增长,但存在长时间定轨发散问题。针对XPNAV-1卫星拓展试验任务及脉冲星导航后续发展需求,利用多颗脉冲星的观测数据,研究基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的卫星自主定轨算法。首先,建立该卫星的轨道力学模型和观测方程;然后,详细论述EKF滤波算法和分段式定常系统（PWCS）的可观测性分析方法;最后,通过综合分析XPNAV-1卫星的观测数据、脉冲星对该卫星轨道的覆盖性以及系统状态的可观测性,进行自主定轨算法试验。试验结果表明,基于EKF的自主定轨算法滤波过程收敛,验证了该算法的合理性和有效性。     

基于光学测角数据的风云四号同步轨道卫星精密定轨

针对风云四号同步卫星的精密定轨和精度评估需求,首先利用地面光学测角数据对FY-4A卫星进行精密定轨,定轨后方位角和高度角的残差rms分别为0.25＂和0.45＂。与基于测距数据的轨道相比,位置精度在有测角数据的弧段内小于50m。进一步联合测角数据和测距数据对FY-4A卫星进行联合定轨,定轨后轨道重叠精度优于15m。利用联合定轨结果评估了基于测距数据的实时轨道产品精度,可以明显发现轨道精度随着测距数据的积累而逐步提高。     

“嫦娥4号”中继星开环测速方案设计与试验验证

针对深空探测器轨道测量任务高精度测速需求,提出了一种开环测速方案。首先,采用窄带模式对深空探测器下行信号进行采集记录,利用傅里叶变换+线性调频Z变换+本地重构相关联合信号处理方法,对探测器主载波信号进行处理,自适应提取探测器主载波频率;然后,基于主载波频率获取反映探测器相对于测站速度运动关系的多普勒频率,并评估多普勒频率的随机噪声水平;最后,将基于本文的多普勒频率与深空站测速基带多普勒频率、累积载波相位测速多普勒频率进行比对,并将3种多普勒频率输入探测器联合定轨程序,进一步评估本方案获取的多普勒测速绝对精度。基于"嫦娥4号"中继星在轨实测试验数据分析表明:所获得的多普勒频率提取精度为10 m Hz,优于深空站基带测速多普勒频率与累积载波相位测速多普勒频率精度;联合定轨表明:多普勒测速绝对精度为0.2 mm/s,有效验证了深空开环测速技术,为后续深空探测器轨道联合测量系统研制奠定了技术基础。     

基于Bayes统计模型的卫星融合定轨方法研究

根据目前天基导航系统现状,结合中国对低、中轨卫星精密定轨的要求,给出了天地基信息融合定轨的原理;结合卫星待估融合参数的先验信息,提出了基于Bayes统计模型的卫星精密定轨方法;在卫星观测的线性化融合模型中引入观测噪声,利用概率估计融合模型,根据Bayes理论进行卫星状态改进量的最大后验估计,并分析了Bayes估计方法的定轨精度;依据期望融合的待估改进量方差最小规则建立了相应的参数求解算法;最后以导航融合测控系统中测距和测速数据的融合定轨为例进行了仿真实验,表明该融合方法能够得到很好的定轨效果。     

基于GPS的中、高轨道航天器定轨研究

利用GPS确定空间航天器轨道，尤其是GPS在中、高空间航天器定轨中的应用，针对中、高轨道中可见星少及GPS信号微弱等问题，提出了有效的微弱信号检测算法，提高了GPS接收机的接收能力，同时提出了利用伪加速度测量和轨道约束进行定轨解算的新方法，使得在HEO(高偏心轨道)中利用两颗可见星可以解算定位解，对GEO(静止地球轨道)只用一颗星就可求解，仿真结果表明该方法具有很好的效果。     

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

自适应粒子滤波在紫外导航中的应用

基于紫外敏感器的自主导航系统是典型的非线性系统,针对一般粒子滤波缺乏在线自适应调整能力等问题,文章提出了将基于正交性原理的自适应强跟踪滤波器(STF)和UKF相融合产生重要密度函数,应用于基于紫外敏感器自主导航粒子滤波器新方法,该方法通过UKF构造粒子群,对粒子群中的每一个粒子的每一个sigma点用STF进行更新,使得算法自适应。为了说明算法的有效性,结合模拟的轨道数据和测量数据进行了仿真,并与其他滤波方法的仿真结果进行了对比,结果说明了所提算法的有效性。     

低复杂度自适应容积卡尔曼滤波算法

确定采样型滤波算法中的容积卡尔曼滤波（CKF）算法滤波性能优良,但是却难以克服目标模型不确定性或者目标状态突变带来的影响。构造强跟踪CKF能有效改善算法的自适应性,但是在求解渐消因子时大大增加了计算量。为此,提出一种低复杂度自适应CKF算法,通过设立基于新息的自适应修正判决准则和修正方式,直接对状态预测值进行修正,使滤波算法能及时跟上目标真实状态,以提高滤波精度。使用浮点操作数计算并分析了CKF算法、强跟踪CKF算法及所提算法的复杂度,同时将3种算法应用在建模不准确的目标跟踪中,并进行仿真验证。仿真结果表明:在目标建模不匹配的情况下,低复杂度自适应CKF算法和强跟踪CKF算法都能保持较好的滤波精度和数值稳定性,同时所提算法在算法复杂度上有明显改善。      

融合距离变化率的微分平滑

研究了目标跟踪中，测量信息为目标的斜距、方位角、高低角和距离变化率时的微分平滑求速算法。该方法融合了位置信息和距离变化率信息。仿真结果表明，该方法能提高速度参数的估计精度。     

基于测量值模糊贴近度时空融合的多传感器融合方法

针对实际多传感器目标跟踪系统中,传感器测量值中的野值对状态估计的不利影响,该算法利用概率源合并理论和非负矩阵特征向量理论,算出k时刻空间上各传感器测量值与其他传感器测量值的综合贴近度,同时将k个时刻的空间上融合的模糊贴近度进行时间融合,以此确定每个传感器的权重。仿真结果表明,该算法有效地抑制了测量野值对测量融合值的不利影响,提高了系统的跟踪准确度。     

基于STF和加权改进的群目标跟踪算法

为了进一步提高群目标交互多模型跟踪算法的估计性能,提出一种改进的群跟踪算法.首先,通过采用模型转换概率的自适应算法,优化模型与目标运动模式的实时匹配.并通过引入强跟踪滤波（STF,Strong Tracking Filter）中的渐消因子,提高机动阶段时的群质心的状态估计精度.其次,分别利用概率加权法和标量加权法完成群质心状态和扩展状态的融合估计.最后在变分贝叶斯滤波的基础上,建立完整的跟踪算法流程.仿真实验结果表明,该方法不仅能够提高群质心状态和扩展状态的估计精度,还能有效降低机动阶段时的峰值误差.     

基于耦合气动参数的HGV多模型估计

利用气动参数对未知气动力建模是提高高超声速滑翔目标跟踪精度的有效途径。对目标气动加速度及其导数项进行分析,在非耦合气动参数模型的基础上,考虑气动加速度在转弯和俯仰方向存在的先验信息,推导滚转和螺旋2种耦合气动参数模型。利用一种分离估计模型对目标状态与气动参数进行估计,分别给出状态滤波器和气动参数滤波器的表达式。同时,考虑不同飞行模式下参数的机动频率,构建基于耦合气动参数的交互多模型跟踪算法。仿真表明,本文所提算法精度显著高于针对该类目标的其他跟踪算法。同时,滚转模型的性能优于螺旋模型,且计算复杂度更小。      

关于北斗卫星导航系统的被动式定位算法比较研究

我国北斗卫星导航系统空间卫星共有2或3颗,无法单独满足被动导航定位的要求．针对这种卫星稀少的情况提出了3种被动式定位算法: 2星定位算法、 3星3参数定位算法和3星4参数定位算法, 这些算法分别采用气压测高方法增加观测数据和采用数学模型描述接收机钟差的方法减少定位方程求解的未知数;探讨了北斗卫星导航系统备份星的可用性和对导航定位精度的贡献;还提出了准差分修正技术,提高了定位精度．实验证明, 3种算法都取得了100m以内的定位结果,可以满足一般用户定位需求．     

具有方向特性的X角点的亚像素检测定位

X角点被广泛应用于相机标定与可见光视觉跟踪系统,不仅具有位置信息,还可以具有方向信息.针对X角点的精确位置检测和方向检测,提出了一种利用X角点对称性的检测与定位算法——对称性计算算子(SC,Symmetry Calculation),简称SC算子.该算法主要由两部分组成.先利用对称性计算值确定X角点像素位置,然后基于二次曲线拟合及直线相交求亚像素位置.通过角点定位实验,仿真分析高斯噪声和畸变对定位精度及鲁棒性的影响,并与Harris算法及Micron Tracker系统进行比较.实验表明,本文方法能有效检测X角点,排除其他类型的角点和干扰点,具有较高的定位精度和鲁棒性.      

基于Hu相关滤波的光学卫星视频点目标跟踪

针对光学卫星视频运动目标跟踪问题进行研究,提出一种鲁棒的特征描述和匹配跟踪方法。引入相关滤波的思想,首先利用样本集的Hu不变矩和中值滤波,建立目标的跟踪模板并进行目标特征描述。然后,将目标跟踪的判断区域降维处理,建立判断区域的Hu置信模型。利用FFT推导了快速相关法,进而通过求得跟踪置信图最大值实现目标跟踪。针对跟踪轨迹采用卡尔曼滤波辅助和优化跟踪处理,提高算法的鲁棒性。试验数据采用SkySat和吉林一号拍摄的视频各两段,对5个点目标进行跟踪试验,跟踪精度优于90%,跟踪过程目标不丢失,且轨迹平滑。针对13×13的判断区域,与一般相关性方法相比,处理速度可提升约5倍。可为光学卫星视频点目标实现快速可靠跟踪提供技术基础。     

基于Jerk输入估计的MCS模型及非线性跟踪算法

针对强机动目标跟踪问题,基于当前统计(CS,Current Statistical)模型、改进输入估计 (MIE,Modified Input Estimation)和无迹强跟踪滤波器,提出了一种新的自适应目标跟踪算法.该算法引入Jerk输入估计改进了当前统计模型的状态方程和机动加速度方差调整方法,利用改进的无迹强跟踪滤波器实现了状态协方差、状态噪声协方差和机动频率的联合自适应.在没有加速度先验知识的情况下,能够实时准确跟踪目标连续强机动、匀加速机动和匀速运动状态.仿真实验表明:相比CS模型无迹滤波算法、CS模型无迹强跟踪算法和交互多模型算法,该算法在对目标强机动的适应性、跟踪精度和对突变状态跟踪的收敛性方面都有更好的性能.