导航星座自主导航技术--自主星历更新

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精密确定和轨道短时预报两个方面的内容。本文在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上,重点提出星座卫星轨道精密确定的自适应Kalman滤波算法。系统仿真结果表明：通过星间双向测量数据的滤波处理,能够获得高精度的卫星星历和较小的用户测距误差（URE）,满足高精度导航定位需求,初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性。     

基于地月三角平动点的卫星自主定轨

近年提出了利用地月系平动点建立深空导航星座的设想。在受太阳摄动的真实力模型下,地月系平动点是不稳定的,从而会导致导航星座必须通过控制才能定点在特定区域。针对此问题,引入一种特殊的平动点轨道,即动力学替代轨道。平动点轨道卫星星座可利用星间测距数据自主定轨,由于动力学替代轨道具有长期稳定性,整个自主定轨过程不需要来自地面的测控支持,且定轨精度可达到观测精度。研究结果表明,观测资料的长短、导航卫星垂直白道面的运动分量都将影响到导航星间的自主定轨精度。该研究成果可以应用在以后的地月系导航星座中。     

基于双星系统的卫星几何学精密定轨方法研究

双星导航系统的建立，为我国实现自主的卫星天基测控技术提供了可能。同时由于其全天候、全天时、相对定轨精度高等特点可望成为一种低、中轨卫星精密定轨的有效手段。但由于双星系统中静止卫星数目仅有两颗，要得到低、中轨卫星的三维定位信息，还需要额外的第三维观测量。本文根据双星系统的现状，结合国内对低、中轨卫星精密定轨的要求，提出了一种基于双星系统的卫星几何学精密定轨的方法，概述了其基本原理及其组成，给出了卫星定轨的方法和数学模型，同时根据数据仿真分析了该定轨系统的定轨精度，为下一步工程实现提供了理论基础。     

一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法

利用卫星导航系统对高轨航天器进行自主导航与高精度定轨,对接收机的捕获灵敏度要求极高,双块补零(DBZP)算法是无辅助下卫星导航弱信号捕获的理想方案,然而受限于数据处理量大,DBZP实际应用难度大。在深入分析双块补零机理的基础上,结合矩阵重构的思想,提出了一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法。该方法对参与块内相关运算的基带信号和本地测距码分别进行重构,解决了块内点数与快速傅里叶变换输入点数之间的矛盾,提高了北斗导航接收机弱信号捕获性能。仿真实验结果分析表明,改进双块补零算法对信噪比没有损失,可以保证对低至15dB·Hz的弱信号进行有效捕获,能够满足高轨航天器定轨、室内外无缝导航等对接收机高灵敏度的需求。本方法是在块内运算层面对DBZP进行优化,具备良好的通用性和可移植性,与优化相干积分策略的各种改进DBZP算法可以无缝对接,进一步提高北斗导航接收机信号处理的效能。同时,重构的思想也适用于其他采用码分多址信号的卫星导航系统的弱信号检测和捕获,对提升多星座卫星导航系统的基带信号处理性能具有参考意义。     

近地卫星磁测自主定轨及原型化

利用三轴磁强计的测量信息可实时地确定卫星轨道。采用扩展卡尔曼滤波作为处理磁测自主定轨问题的滤波算法．并以地磁场强度幅值作为测量值，建立了近地卫星磁测自主定轨的数学模型。在数学模型的基础上实现了基于PC机、dSPACE一体化系统的原型化(Prototyping)实验。该原型化实验对磁测自主定轨的方案、理论、算法及实时运行特性做了进一步的验证。     

全球卫星导航星座网络协议体系与运行模式

针对全球卫星导航星座网络建设初期或论证阶段所涉及的网络体系结构、协议体系及相关组网等技术问题,开展了基于导航星座星间链路构建空间信息网络的技术研究,分别提出了由子网、接入网、骨干网等节点及其相互之间星间、星地无线链路构成的分层网络系统结构,设计了兼容遥控、遥测、测量与网络交互支持等业务的基于IP over CCSDS(基于空间数据系统咨询委员会标准的空间链路承载互联网协议业务)的协议体系,给出了全系统基本通信业务运行模式等。与传统高轨卫星通信系统相比,该星座网络具有高覆盖、低时延、随遇接入等优点,可实现星座导航性能与中低轨及地面用户通信性能的全方位提升,相关结果对我国全球卫星导航星座网络技术研究具有一定的参考意义。     

低轨微纳卫星全磁自主导航算法研究

针对低轨微纳卫星体积小、功耗低的设计约束,提出了基于低轨地磁的定轨/定姿全磁自主导航算法.该算法仅利用三轴磁强计测量值和卫星动力学方程建立Kalman滤波器,实现了低轨微纳卫星的全自主轨道确定和姿态测量,理论仿真结果表明,该全磁导航算法精度能够满足低轨微纳卫星的一般要求.利用高精度地磁模拟器搭建了微纳卫星全磁自主导航地面仿真验证系统,对算法进行了全物理仿真测试和实验误差分析,进一步验证了全磁自主导航算法的可行性,为低轨微纳卫星提供了一种低成本、高自主、高可靠性的导航方法.     

基于低轨通信星座的导航增强技术发展概述

在我国北斗三号卫星导航系统全面完成组网建设的背景下,世界卫星导航步入新时代。各卫星导航大国均瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务,正在着手开展新一代系统建设和技术迭代。随着各国对于大型低轨通信星座的积极开发与广泛部署,应用低轨卫星技术实现导航增强与PNT系统备份能力,因其易与GNSS协同,具有提高全球自主导航精度、拓展全球卫星导航应用市场的巨大潜力而成为研究热点。面向低轨导航增强技术,首先总结了低轨卫星的最新态势,梳理了卫星导航增强服务模式,并详细分析了低轨通信星座导航精度增强及导航信号增强两方面的技术动向。在此基础上,重点针对导航增强频率的兼容互操作、通信/导航信号一体化设计、高动态导航增强信号捕获与跟踪等方面,对低轨卫星导航增强体系未来的发展机遇以及面临的技术挑战进行了展望。此外,还基于美国铱星系统实收采集信号开展了定位服务性能试验分析,结果表明600个历元内收敛定位精度优于100m,相关分析成果可为我国低轨导航增强建设提供参考和借鉴。     

GNSS无线电掩星大气探测混合星座设计

针对目前GNSS无线电掩星大气探测卫星星座参数依赖大量仿真计算进行统计选取的研究现状,通过将探测卫星星下点与大气测点间地心角距作为观测半径提出了一种虚拟“星—地”遥感假设,给出了一种崭新的掩星测点预估方法,具有计算速度快的特点.基于该方法推导了探测星座参数与大气探测覆盖性之间的极值相关特性,建立了GNSS无线电掩星大气探测卫星星座设计准则,并以GPS和BD为兼容性观测信源完成了GNSS掩星大气探测混合卫星星座设计.通过仿真试验,验证了设计方法的快速性和可行性,GPS+BD掩星大气探测混合星座每日可实现掩星探测量为COSMIC星座的3倍以上,12h内掩星测点全球分布均匀度提升12％.     

Integration of GPS and low cost INS for pedestrian navigation aided by building layout

In outdoor environments, GPS is often used for pedestrian navigation by utilizing its signals for position computation, but in indoor or semi-obstructed environments, GPS signals are often unavailable. Therefore, pedestrian navigation for these environments should be realized by the integration of GPS and inertial navigation system （INS）. However, the lowcost INS could induce errors that may result in a large position drift. The problem can be minimized by mounting the sensors on the pedestrian＇s foot, using zero velocity update （ZUPT） method with the standard navigation algorithm to restrict the error growth. However, heading drift still remains despite using ZUPT measurements since the heading error is unobservable. Also, tbot mounted INS suffers from the initialization ambiguity of position and heading from GPS. In this paper, a novel algorithm is developed to mitigate the heading drift problem when using ZUPT. The method uses building lay- out to aid the heading measurement in Kalman filter, and it could also be combined for the initial- ization. The algorithm has been investigated with real field trials using the low cost Microstrain 3DM-GX3-25 inertial sensor, a Leica GS10 GPS receiver and a uBlox EVK-6T GPS receiver. It could be concluded that the proposed method offers a significant improvement in position accuracy for the long period, allowing pedestrian navigation for nearly40 min with mean position error less than 2.8 m. This method also has a considerable effect on the accuracy of the initialization.     

星座自主导航可视化仿真与分析系统的研制

近年来,星座自主导航技术在卫星自主导航领域越来越引起人们的关注。为更好地研究星座自主导航方法,本文从数据分析、视景仿真和导航解算三个方面论述了星座自主导航视景仿真系统的实现过程。该仿真系统采用ADO技术、OpenGL技术和MATCOM软件来分别实现数据分析模块、视景仿真模块和星座自主导航解算。实验结果表明,软件最终达到了集数据分析、视景仿真和导航解算于一体的仿真效果。     

对低轨导航系统发展趋势的思考CSCD

全球卫星导航系统成熟的产业推广和技术应用极大地牵引了卫星导航发展需求,使相关学者愈来愈关注恶劣电磁环境下的抗干扰技术以及分米、厘米级高精度导航定位服务。低轨星座优越的平台/轨道特性使其被誉为未来极具潜力的卫星导航手段。特别是近十年商业航天的蓬勃发展,带动卫星平台技术及火箭运载技术突飞猛进,大大降低了低轨卫星制造与发射成本,使得面向低轨星座的导航定位技术成为研究热点和发展方向。首先深入地剖析了不同历史阶段低轨导航的应用方向和技术体制,梳理归纳了低轨卫星星座独立定位及低中高轨卫星联合定位两种应用模式的技术特点,然后分析了未来低轨导航在整个卫星导航系统体系中的应用前景和技术挑战,为未来低轨导航系统建设和发展提供设计参考与技术借鉴。     

Basic performance of BeiDou-2 navigation satellite system used in LEO satellites precise orbit determination

The visibility for low earth orbit（LEO） satellites provided by the BeiDou-2 system is analyzed and compared with the global positioning system（GPS）. In addition, the spaceborne receivers＇ observations are simulated by the BeiDou satellites broadcast ephemeris and LEO satellites orbits. The precise orbit determination（POD） results show that the along-track component accuracy is much better over the service area than the non-service area, while the accuracy of the other two directions keeps at the same level over different areas. However, the 3-dimensional（3D） accuracy over the two areas shows almost no difference. Only taking into consideration the observation noise and navigation satellite ephemeris errors, the 3D accuracy of the POD is about30 cm. As for the precise relative orbit determination（PROD）, the 3D accuracy is much better over the eastern hemisphere than that of the western hemisphere. The baseline length accuracy is 3.4 mm over the service area, and it is still better than 1 cm over the non-service area. This paper demonstrates that the BeiDou regional constellation could provide global service to LEO satellites for the POD and the PROD. Finally, the benefit of geostationary earth orbit（GEO） satellites is illustrated for POD.     

基于多目标粒子群算法的导航星座优化设计

导航星座的设计涉及诸多优化变量的选取,优化设计的目的是选取合适的优化变量使导航星座最大程度地满足人们需求。提出了将导航性能和卫星生产成本作为目标对导航星座进行多目标优化设计的研究方案,导航星座基本构型为中轨道(MEO)与地球静止轨道(GEO)卫星组成的混合星座,MEO卫星用于全球导航,GEO卫星用于增强星座对中国及周边地区的导航性能。探讨了MEO和GEO的轨道设计思路。阐述了星座导航性能与卫星生产成本的计算方法,并选取定位精度因子(PDOP)作为导航性能指标。介绍了基本粒子群算法和多目标优化的概念,提出了改进的多目标粒子群算法(MOPSO),给出了该算法的计算步骤和测试结果。讨论了导航星座多目标优化设计的数学模型,列举了优化设计变量的定义域,采用MOPSO算法对导航星座进行了多目标优化设计,通过分析优化设计结果,说明了导航星座多目标优化设计方案的可行性。     

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)收敛时间过长的问题,提出了利用低轨卫星(LEO)几何结构变化快的优势,增强GNSS非差非组合PPP(UPPP)的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据,比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明：混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时,各测站收敛时间减少60%～80%,70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时,CL和GCL组合系统的收敛时间相当,ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10～20 min下降至3 min以内,原因是混合LEO增强BDS定位时,大大改善了卫星的空间结构。     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。     

Spacecraft orbit determination using GPS navigation solutions

The orbit determination using the GPS navigation solutions for the KOMPSAT-1 spacecraft has been studied. The Cowell method of special perturbation theories was employed to develop a precision orbit propagation, and the perturbations due to geopotential, the gravity of the Sun and the Moon, solid Earth tides, ocean tides, the Earth's dynamic polar motion, solar radiation pressure, and atmospheric drag were modeled. Specifically, the satellite box-wing macro model was applied to minimize the drag errors at low altitude. The estimation scheme consisted of an extended Kalman filter and Bayesian least square method. To investigate the applicability of the method to the KOMPSAT-1 spacecraft, the orbit determination was accomplished using the GPS navigation solutions for the TOPEX/POSEIDON and TAOS satellites. The orbit determination results were compared with NASA POE generated by global laser tracking. The position and velocity accuracy was estimated about 16∼7 m and 0.0157∼0.0074 m·s⁻¹ RMS, respectively, for the two satellites in the presence of SA. These results verify that an orbit determination scheme using GPS navigation solutions can provide the static orbit information and reduce conspicuously the position and velocity errors of navigation solutions. It can be suggested that the sequential and batch orbit determination using the GPS navigation solutions be the most appropriate method in the KOMPSAT-1 type mission.     

An autonomous celestial navigation method for LEO satellite based on unscented Kalman filter and information fusion

A reliable and secure navigation system and assured autonomous capability of satellite are in high demand in case of emergencies in space. Celestial navigation is a fully autonomous navigation method for satellite. To near earth satellite, the earth direction is the most important measurement and the horizon sensing accuracy is the most important factor which effects celestial navigation accuracy. According to the mode of acquiring horizon measurement, satellite celestial navigation methods can be broadly classified into two approaches: directly sensing horizon using earth sensor and indirectly sensing horizon by observation of starlight atmospheric refraction. For these two methods are complementary to each other, a new Unscented Kalman Filter (UKF) based information fusion method is proposed here for hybriding them. Compared to the traditional celestial navigation method, this method can provide better navigation performance and higher reliability. The hardware-in-loop test results demonstrate the feasibility and effectiveness of this method, in most cases the accuracy is sufficient for near earth civilian satellite and moreover it can be used as a backup system to provide redundancy.     

星载GPS测量数据预处理方法研究

针对低地球轨道(LEO)卫星星载全球定位系统(GPS)接收机应用的特点,对星载GPS测量数据误差及其对周跳探测的影响进行了分析,提出TurboEdit数据预处理方法中周跳探测算法的改进算法。在原周跳判断算法的基础上,通过引入与测量数据观测高度角相关的加权系数,将周跳探测与测量误差紧密联系起来。根据观测高度角的变化对测量数据误差进行估计,并根据估计情况对加权系数取值,从而实现对周跳探测算法进行调节,达到降低周跳探测失误率的目的。增加参与定轨计算的观测数据量,提高了低轨卫星连续定轨的能力。通过GRACE编队卫星实测数据对改进算法进行了仿真验证。     

相对测量在编队卫星自主定轨中的应用

针对编队卫星自主定轨问题进行了研究,设计了一种完全不依赖于地面站和GPS系统的自主导航方案。利用星间测量信息进行卫星编队相对轨道状态的自主确定;并在利用磁强计进行卫星绝对轨道自主确定的基础上,引入星间测量信息提高绝对定轨精度;设计扩展卡尔曼滤波器进行卫星编队轨道状态估计,数学仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。