GPS作为航天器全能敏感器的前景Ⅰ──GPS导航和定姿

本文全面介绍了ＧＰＳ在航天器导航和姿态确定领域应用的现状。首先概述ＧＰＳ的系统组成及其运行现状，接着阐明ＧＰＳ伪距导航的原理，介绍了差分ＧＰＳ导航的发展及目前水平，总结了ＧＰＳ导航的误差源。文中重点介绍了国外在ＧＰＳ定姿这一重要航天应用领域中取得的进展，分析了影响ＧＰＳ定委性能的主要因素──多路径效应、整数模糊解和载噪比，综述了降低或消除上述误差源的各种技术途径，在此基础上给出了ＧＰＳ定姿的性能包络曲线。     

卫星地球-射频敏感器组合定姿滤波算法研究

基于卡尔曼滤波理论以及卫星定姿技术的发现状况，对卡尔曼滤波在静止轨道三轴稳定卫星红外地球敏感器和射频敏感器组合定姿中的应用作了一定的研究。建立了静止轨道三稳定卫星姿态动力学模型和红外－射频敏感器组合定姿的姿态量测模型，针对这一模型，应用推广的卡尔曼滤波进行姿态估计，并进行了计算机仿真，验证了滤波方法应用于静止轨道三轴稳定卫星红外地球敏感哭和射频敏感器组合定姿的有效性和优越性。     

GPS自主定姿定轨技术在新一代大型静止轨道卫星上的应用

GPS技术是航天工程中具有发展前途的关键技术，是卫星自主定姿定轨高效经济的方法。新一代大型静止轨道卫星（即地球同步轨道静止卫星）上采用GPS自主定姿定轨技术能使卫星定姿定轨技术上一个新台阶。本文着重分析研究了新一代大型静止轨道卫星平台上采用GPS自主定姿定轨技术的可行性。     

全球定位系统用作卫星轨道测量和深空跟踪

介绍国际上近几年来采用全球定位系统作低、高轨道卫星跟踪定轨的试验研究结果。对低轨道卫星采用向上看的工作模式，定轨精度可达３～５ｃｍ。对高轨道的数据中继卫星，采用类ＧＰＳ法定轨精度可达几米。对深空飞行器的跟踪，借助于大型天线，角跟踪精度可达百分之几秒。     

基于UKF的微小卫星姿态确定方法研究

围绕某日-地空间环境组网探测系统中三轴稳定微小卫星定姿分系统的设计需求,基于陀螺、太阳敏感器、磁强计和星敏感器4种敏感器,研究了微小卫星在速率阻尼模式、太阳捕获模式、对日对地定向及维持模式、试验模式下的系统建模方法,以及基于Unscented卡尔曼滤波(UKF)的组合定姿方法。数值仿真结果表明,本文定姿方法的姿态确定精度满足该系统中三轴稳定微小卫星在轨运行的定姿精度要求,为该微小卫星半物理仿真系统的研究及其在轨运行时的姿态确定提供了依据。     

卡尔曼滤波技术在自旋卫星姿态确定中的研究与应用

卫星执行飞行任务时,对卫星的定向都有预定的要求。星上控制系统与地面测控系统都需要姿态确定的信息,因此如何利用卫星遥测数据来确定卫星姿态非常必要。通过引入一个离散控制过程的系统,推导出应用于自旋卫星姿态确定的卡尔曼滤波过程。根据量测量的获取情况,首先对量测量全部正常获取时的卡尔曼滤波定姿计算方法和步骤进行详细论述,然后对其他情况下的滤波进行描述,最后给出应用情况分析。     

基线平面布局的GPS定姿算法

ＧＰＳ定姿线性化算法需要载体的姿态初值和迭代运算，提出一种适用于基线平面布局的矩阵元素求解算法，它不需初值和迭代计算，计算量小，运算速度快，特别适用于载体大角度姿态机动的情形。用ＴＡＮＳＶｅｃｔｏｒＧＰＳ接收机进行了实验，取得了较满意的结果。     

基于OMNeT++的卫星姿态控制系统仿真

针对三轴稳定卫星的姿态控制系统,在离散事件仿真平台OMNeT 的基础上,建立了一个以星敏感器和陀螺为敏感器,反作用飞轮为执行机构的闭环控制仿真系统。采用双矢量定姿算法和PID控制算法,对该卫星在对地定向模式下的控制精度进行了仿真。仿真结果清晰地反映了星敏感器和反作用飞轮输出延时对控制精度的影响。整个仿真系统符合面向对象和模块化的程序设计理念,并实现了仿真程序的重用。     

基于地磁场测量估计卫星姿态的UKF算法

提出了利用UKF（Unscented Kalman Filter）处理地磁场测量数据进行低轨道（LEO）卫星自主定姿的算法。通过使用估计姿态、轨道参数和国际地磁场参考（IGRF）计算得到的地磁矢量与三轴磁强计（TAM）的测量矢量之差作为更新信息，可以实现实时的姿态角和角速度估计。针对卫星稳态定姿、大角度快速机动的定姿以及姿态失控状态下的定姿等三种任务，分别用UKF和传统的EKF（Extended Kalman Filter）进行了数值仿真。仿真结果显示出本文提出的定姿算法的优越性。     

全电推进卫星——商业通信卫星的新趋势

传统上，通信卫星在进入轨道的日寸候，它的体重里有很大一部分是远地点发动机和姿态、轨道控制系统的燃料。例如著名的美国波音公司702-HP平台，在它基础上制造出来的加拿大AnikF-1卫星，发射重量大约是4710千克左右，而进入静止轨道开始工作时只剩下了3015千克，为从转移轨道进入静止轨道而消耗掉的燃料达1695千克。世界上所有通信卫星运营商都要为这部分燃料的发射支付高额费用。远地点发动机要靠这些燃料把卫星从同步转移轨道推人静止轨道，姿轨控分系统要靠这些燃料实现卫星工作期间的南北和东西方向位置保持，而燃料所需要的储罐、     

GPS-based relative navigation for the Proba-3 formation flying mission

The primary objective of the Proba-3 mission is to build a solar coronagraph composed of two satellites flying in close formation on a high elliptical orbit and tightly controlled at apogee. Both spacecraft will embark a low-cost GPS receiver, originally designed for low-Earth orbits, to support the mission operations and planning during the perigee passage, when the GPS constellation is visible. The paper demonstrates the possibility of extending the utilization range of the GPS-based navigation system to serve as sensor for formation acquisition and coarse formation keeping. The results presented in the paper aim at achieving an unprecedented degree of realism using a high-fidelity simulation environment with hardware-in-the-loop capabilities. A modified version of the flight-proven PRISMA navigation system, composed of two single-frequency Phoenix GPS receivers and an advanced real-time onboard navigation filter, has been retained for this analysis. For several-day long simulations, the GPS receivers are replaced by software emulation to accelerate the simulation process. Special attention has been paid to the receiver link budget and to the selection of a proper attitude profile. Overall the paper demonstrates that, despite a limited GPS tracking time, the onboard navigation filter gets enough measurements to perform a relative orbit determination accurate at the centimeter level at perigee. Afterwards, the orbit prediction performance depends mainly on the quality of the onboard modeling of the differential solar radiation pressure acting on the satellites. When not taken into account, this perturbation is responsible for relative navigation errors at apogee up to 50 m. The errors can be reduced to only 10 m if the navigation filter is able to model this disturbance with 70% fidelity.     

基于GPS/IMU/太阳敏感器的空间飞行器组合姿态确定

GPS定姿是GPS在空间飞行器上应用的一个重要方向 ,本文在建立GPS 惯性组件 太阳敏感器组合定姿系统的非线性模型的基础上 ,采用扩展卡尔曼滤波实现了该组合定姿方案。通过理论分析和仿真结果均验证了方案的可行性。为GPS定姿在空间飞行器的实际应用提供一定的参考。     

Application of SDRE technique to orbital and attitude control of spacecraft formation flying

This paper proposes the application of a nonlinear control technique for coupled orbital and attitude relative motion of formation flying. Recently, mission concepts based on the formations of spacecraft that require an increased performance level for in-space maneuvers and operations, have been proposed. In order to guarantee the required performance level, those missions will be characterized by very low inter-satellite distance and demanding relative pointing requirements. Therefore, an autonomous control with high accuracy will be required, both for the control of relative distance and relative attitude. The control system proposed in this work is based on the solution of the State-Dependent Riccati Equation (SDRE), which is one of the more promising nonlinear techniques for regulating nonlinear systems in all the major branches of engineering. The coupling of the relative orbital and attitude motion is obtained considering the same set of thrusters for the control of both orbital and attitude relative dynamics. In addition, the SDRE algorithm is implemented with a timing update strategy both for the controller and the proposed nonlinear filter. The proposed control system approach has been applied to the design of a nonlinear controller for an up-to-date formation mission, which is ESA Proba-3. Numerical simulations considering a tracking signal for both orbital and attitude relative maneuver during an operative orbit of the mission are presented.     

GPS/速率陀螺组合Kalman滤波姿态确定算法研究

建立了GPS／速率陀螺组合姿态估计系统的模型，研究比较了三种典型的Kalman滤波姿态确定算法：状态扩充法、量测量求差法和时变噪声估计跟踪自适应滤波算法。给出了某航天器采用GPS／速率陀螺组合姿态确定的仿真计算结果，并对结果进行了分析。结果表明，与传统Kalman滤波算法比较，时变噪声跟踪自适应滤波算法和量测量求差滤波算法能较好地消除GPS测量中相关时变噪声的影响，提高姿态确定的精度；而且时变噪声跟踪自适应滤波算法能很好地消除由于噪声统计性能的不确定性对Kalman滤波的影响，提高姿态确定系统的性能。     

GPS定姿系统/捷联惯性导航系统组合技术研究

研究了GPS定姿系统和捷联惯性导航系统二者的组合技术 :根据传递对准技术 ,研究了GPS定姿系统在捷联惯性导航系统的初始对准中的应用 ;根据空间几何约束 ,研究了模糊度的搜索算法 ,以提高定姿系统的计算效率和稳定性。实验证明 ,方案切实可行 ,收到了良好的效果。     

小型无人机自主飞行控制系统的实现

介绍了5kg级小型无人机的结构原理,分析了无人机自主飞行控制系统的结构、功能、特点及控制原理,采用嵌入式系统、GPS、电子罗盘和红外传感器等设计了无人机的飞行姿态控制、导航控制、任务控制系统和弹射与伞降系统。大量飞行实践和比赛飞行表明,这种小型无人机可执行既定任务并具有良好的场地适应性和自主飞行性能。     

一箭多星发射卫星空间距离测量与预报技术

多星空间距离测量是一箭多星发射的一项重要任务。由于站点分布限制和轨道条件约束,国内多数卫星存在地面不可监测弧段,传统的地基测定轨方法无法满足全弧段连续性要求。针对上述问题,对星间距离测量技术进行了研究,提出了利用GPS进行星间距离测量的方法;并提出利用基于GPS数据的简化动力学模型法及多项式拟合法进行星间距离测量和预报,结果显示,预报10min的位置精度为数十米量级。该方法突破了地基测控可见区的限制,实现了全弧段的轨道确定,并规避了GPS接收机可能存在的短时中断或由于通信原因不能实时获得测量结果的风险;可为分析确定多颗卫星间的安全距离提供参考。     

Galileo系统在空间飞行器定位中的应用

欧洲的Galileo系统将在2008年建成，届时它将与美国的GPS系统相互补充。在对Galileo系统导航星座轨道和信号结构分析的基础上，结合各种不同轨道高度的空间飞行器用户的动态特点，推导了用户卫星接收天线的可见可用性模型，建立了基于Galileo坐标系统(ITRF-96)的高动态定位算法模型，针对实际航天工程任务的LEO和GEO卫星进行了定位仿真，为Galileo系统在空间领域的实际应用打下了基础。     

低轨道卫星GPS精密定轨动力学方法的研究

结合低轨卫星简化动力学定轨算法,以及不同几何信息精度条件下的纯几何定轨和动力定轨精度比较,定量分析星载双频GPS实现精密定轨过程中的主要因素,得到星载GPS接收机性能设计所需的关键技术指标,为卫星精密定轨系统的顶层设计提供了科学合理的参考依据。