地球静止卫星精密测定轨技术的现状及发展

介绍并分析了针对地球静止卫星的各种高精度测定轨跟踪技术.指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨在沿迹方向和法向的主要误差源,为保证一致的卫星三维位置解算精度,应利用高分辨率的角度观测约束信息来有效地降低测距偏差对轨道确定的影响,或者利用天地基联合定轨的低轨卫星运动几何在轨道改进的同时精化测距偏差.     

基于精密单点定位的航空重力仪运动加速度估计

本文针对航空重力测量中利用单基准站差分GNSS方法估计载体加速度的局限性,提出了两种基于PPP的载体加速度高精度估计方法—位置差分法和相位差分法。在详细推导了两种估计方法解算方程的基础上,研究总结了方法各自的特点与优势,最后通过实验分析了卫星导航误差源对两种方法的影响。实验研究表明,相位差分法在抑制低阶误差方面更具优势;-2~+2周的整周模糊度解算偏差对位置差分法的加速度估计结果在滤波后产生近10mGal的影响;在数据采样间隔为1s时,1周的周跳对相位差分法的加速度估计结果产生数千mGal的误差。研究结果能为航空重力测量中利用PPP高精度估计重力仪加速度提供一定的理论指导,尤其对难以建站的测区的重力测量具有重大意义。     

同步卫星跟踪系统的光学校准

为了减少跟踪系统的系统误差,研究了一种精确校准距离和角度观测值的方法,这样就提高了同步卫星的测轨准确度。该校准方法基于这样一种测轨原理,即采用单点光学角度观测值加上无线电跟踪观测的测轨。利用这种测轨方法,我们在确定轨道根数的同时,估计出观测偏倚参数,其中包括地球模型不准确而带来的影响。我们在鹿岛地面站进行过这种实际的校准实验,实验证明,测轨准确度极高,经过一天的测轨之后,卫星距离的预报误差在四天之内不会超过几米。     

深空干涉测量天线G/T值指标设计

G/T是天线的一项重要技术指标,在综合考虑测地VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)和航天器VLBI观测两者需求的基础上,提出了深空干涉测量天线的G/T指标设计方法.首先根据射电源的空间分布以及流量密度特性,确定了测地VLBI和航天器VLBI观测模式下射电源流量密度的要求.在此基础上建立了2种观测模式下时延误差与深空干涉测量天线G/T之间的关系模型.最后参考目前国际国内测地VLBI观测中的通用参数设置以及月球探测任务中航天器VLBI观测的参数设置,对不同观测任务、不同观测模式下的G/T要求进行仿真分析.综合测地VLBI和航天器VLBI观测仿真分析的结果,S频段G/T建议不小于32 dB/K,X频段G/T建议不小于43 dB/K.仿真分析结果可以作为后续深空干涉测量天线G/T设计的参考.     

单星只测角对低轨卫星的EKF跟踪分析

利用扩展卡尔曼（EKF）滤波原理研究基于天基光学平台对低轨卫星的跟踪问题，根据单星只测角观测值建立了相应的状态模型和观测模型，并进行低轨卫星的跟踪仿真，结果表明：该方法可以获得较高的跟踪精度，这使得基于单星只测角星上滤波跟踪成为可能。     

哥达德距离和距离率系统与并置的激光系统跟踪测地卫星的相互比较

NASA正在进行测地卫星1号(GEOS—A)卫星观测系统的相互比较研究。作为该项研究的一部分,用并置的哥达德距离和距离变化率(GRARR)系统及哥达德激光跟踪系统对GEOS—A卫星进行了跟踪。从1966年7月至11月,北卡罗莱纳州罗斯曼的GRARR站对该卫星的17次过境做了观测,并对其中的10次做了鉴定。在该项研究中,激光系统的跟踪轨道用作GRARR系统的基准轨道。激光数据用GEOS—A数据调整程序(GDAP)进行了平滑,以笛卡尔座标位置和速度矢量的形式给出所选历元时刻的基准轨道。数据鉴定表明,可用激光跟踪轨道来检测距离和离变化率中的系统误差,其精度分别可达2米和1厘米/秒。利用所测的GRARR数据和激光轨道数据,由GDAP计算出每次过境(10次中的7次)中的平均距离零位偏倚误差为-5.3米,标准偏差为±2.5米。其他3次过境均被剔除,因为其偏离均值的偏差高达30米。测距-定时误差确定为-2.1±1.2毫秒。消除系统误差后,未经平滑的距离数据的均方根噪声分量为6.8米。认为应答机延迟曲线的误差导致了GRARR的距离偏倚和定时误差。对GDAP的距离变化率残差做了折射修正,并用序贯最小二乘回归程序估计了各距离变化率误差模型的系数。没有发现明显的距离变化率零位偏倚。观察到距离变化率总有-0.20±0.02毫秒的定时误差,但其原因不详。发现的频率换算因子误差为10~(-5)。消除了这些系统误差之后,未经平滑的距离变化率数据的均方根误差分量为1厘米/秒。     

基于交互式多模型的主被动站跟踪算法

在高斯白噪声下，使用交互式多模型算法融合主动站和被动站量测信息，在各类机动状态模型切换，完成对机动目标的定位跟踪。根据主动站到达目标然后到达被动站的距离和以及目标到达主被动站的方位角和俯仰角信息建立量测模型；在交互式多模型算法的基础上，在常规直线机动模型基础上引入Singer模型，模拟目标机动运动；以几何关系求解得到的目标位置作为目标初始解，相较于其他初始模型，算法具有更好的收敛性。仿真实验表明，在主被动站间距几十千米，目标与主被动站间距几百千米，到达角误差2°左右，到达时间误差20 m左右的情况下，使用交互式多模型算法跟踪目标，收敛误差在百米级别。     

低轨卫星对高轨卫星仅测角初轨计算方法

针对我国地面测站对高轨卫星监视能力缺乏的问题,提出一种低轨卫星对高轨卫星仅测角初轨计算方法。该算法引入天基跟踪坐标系,消除测距信息影响,建立仅测角观测方程;引入法向运动,增加摄动因素影响,建立扩展拉普拉斯动力学模型;推导分析观测模型和动力学模型的关系方程,将初轨计算问题转换为非线性方程求解问题,利用高斯全主元消去法完成方程求解。通过实战和仿真测角数据对方法进行检验,结果表明,该方法能利用仅测角数据对非合作目标进行初轨确定,精度在公里量级,可为我国地基监视系统提供补充参考。     

《飞行器测控技术》1985年总目录

浦控总体远站跟踪转换方程的推导速度状态参数的最优观测几何试验靶场的GPS转发信号跟踪系统方案利用转发的GPS信号测定弹道 无线电外测一种经济效益很高的校准无线电外测系统的方法—卫星校准法用跟踪卫星的方法对陆上脉冲雷达进行自校准阿里安运载火箭飞行试验用的C波段雷达的卫星校准用GEOS一3卫星校准C波段雷达的研究C波段雷达校准及其在GEOS一I计划中的应用无线电外弹道测量系统校准卫星文献目录双向相干通信系统中的信道误差美国陆军白沙导弹靶场动目标分辨技术的开发模糊距离研究报告用距离游标法提高外测能力白沙导弹靶场的…     

空间动态目标间相对距离解算方法的改进

探讨了在地面光学测量条件下,直接解算空间动态目标间相对距离的方法,以避开首先解算两动态目标位置分量的要求,而有效地简化解算过程.在此基础上,对多台光学测量设备交会的观测数据,应用非线性递推估计,提供精确解算动态目标间相对距离量的方法,它不需按常规方法对观测方程进行线性化处理,有利于解算结果精度的提高,也减少了计算量.     

用一种经济的跟踪系统进行米级同步卫星轨道确定

本文提出了一种精度高而费用低的地球同步(GEO)卫星的跟踪系统。其主要组成是:两个GEO卫星、四个自动化地面站和一个甚长基线干涉仪(VLBI)系统。已证明GEO卫星的位置精度可达1～1.5米,优于以往任何GEO卫星的定位精度。用一种快速简便的初始算法可产生一种高效稳定的两步准牛顿-莱弗森轨道确定方法。以90年代VLBI的预期特性为基础,研究了双差分测距、动力学模型以及取决于算法的线性协方差分析。结论是:主要误源是GM误差、站址误差和系统性测量误差;噪声最小协方差分析并不适用,良好的跟踪几何和可观测性远比高数据率和低测量噪声重要;其次,必须考虑太阳辐射压加速度的不确定性。     

基于非合作低轨卫星的测向交叉定位技术

根据非合作低轨卫星的特点，可以被动测量多颗卫星信号的来向，通过测向交叉的方式进行定位。但是通过星历解算出的卫星位置位于地心地固坐标系，用户测量的方位角和俯仰角基于站心坐标系。针对非合作低轨卫星测向交叉定位时目标用户角度信息与卫星位置基于不同坐标系的问题，提出了一种迭代最小二乘定位算法，通过迭代的方式不断收敛定位结果，能够在目标用户角度信息与卫星位置基于不同坐标系的情况下，解决非合作低轨卫星的测向交叉定位问题。仿真结果表明，基于迭代最小二乘定位算法能够实现非合作低轨卫星仅利用角度定位，并分析了测角精度、卫星轨道高度、参与定位卫星数与定位误差之间的关系。针对迭代的计算方法，分析了迭代过程中不同收敛条件下迭代次数与定位误差之间的关系。在保证定位精度的情况下，将迭代收敛范围设置为8~30 km，可以降低2~3次迭代次数。     

卫星位置和速度的Lagrange插值算法分析

导航接收机中通常采用开普勒轨道参数法计算卫星的三维位置和速度.这种算法计算量较大,在资源有限的廉价用户机或要求高频度输出卫星位置和速度的高动态接收机中会使处理器资源非常紧张.采用Lagrange插值算法可以获得相同精度的卫星位置和速度,且大大降低计算量.利用GPS数据对不同插值区间长度和插值阶数的Lagrange插值法的计算精度和处理时延进行了定量分析.结果表明,Lagrange插值算法计算卫星位置和速度可以使处理时延降低十几倍,这在每个历元的导航解算需要同时计算多颗卫星位置和速度的接收机中具有重要意义.     

双星编队对空间非合作目标的仅测角跟踪方法

针对单星仅测角对目标跟踪误差较大和不良测量条件下跟踪精度下降的问题,提出利用编队卫星对非合作目标进行联合跟踪的方法。采用考虑地球非球形J2引力摄动的轨道动力学模型,建立多视线测量模型,融合编队卫星对目标的观测数据。然后,基于新息设计增益调节矩阵提高滤波器在测量故障条件下的鲁棒性。最后,建立仿真模型进行验证。仿真结果表明,相比单星跟踪,该方法的位置误差和速度误差分别减少了27.06%和26.96%。在系统存在异常量测时,相比常规滤波,该方法也具有更高的精确性和更好的鲁棒性。     

另一种传递时间的GPS共视法

利用GPS比对远距离时钟的标准方法称为共视技术。利用这种技术时,两个以上地面站同时观察一颗GPS卫星。最广泛使用的同视法,必须知道卫星的位置,因为必须计算出信号的传输时间。可是,共视法实际上是一种多R(距离)体制,利用这一技术可以求解出观测站和卫星的位置,以及时钟偏差。本文指出如何将这种原理(源自经典的多R测地文献)用于时间传递。论述了使共视站地理分布和观测时间最佳化的必要性。还基于大量数值仿真结果提出了现场试验的建议。     

基于自包含传感器的单兵导航系统设计

针对无卫星信号环境中单兵人员导航定位需求,设计了一种基于自包含传感器的单兵导航系统,重点研究了惯性传感器和压力传感器组合的零速区间检测算法,并通过对单兵导航系统背景磁场误差进行补偿来计算航向角,实现了速度观测量和航向观测量的准确提取。在此基础上,采用Kalman滤波器对系统状态误差进行估计,并对惯性导航解算结果中的累积误差进行修正。最后,在实际路线上开展了单兵导航系统定位实验,实验结果表明,行人在矩形路线终点位置处的位置误差为0.42m,占行走总路程的0.33%,从而证明了零速修正和航向修正能有效提高单兵导航系统的定位精度。     

月球及深空航天器甚长基线干涉测角精度协方差分析

基于测量基线柱坐标推导了深空航天器赤经、赤纬的信息阵和协方差矩阵,定量计算了干涉延迟测量精度、航天器赤纬及基线几何构型对月球航天器赤经赤纬测量精度的数值关系。根据计算结果,分析了三种因素对确定航天器角误差的影响。提出了基线组合赤经、赤纬精度因子的概念,重点分析了基线几何构型对确定航天器角位置的影响。在航天器视向距离无误差的条件下,推导了航天器三维定位误差与测角误差的协方差矩阵,定量计算了不同干涉延迟精度下月球航天器的三维定位误差。计算及分析结果对于我国未来月球及深空任务的测控分析支持具有重要参考价值。     

速度状态参数的最优观测几何

本文指出飞行器速度状态参数的测量也存在最优观测几何。对三维球面测速定位系统分析的结果是:测量飞行器速度状态参数的最优布站几何与测量飞行器位置状态参数的最优布站几何完全一致。基线长度则分两种情况,由速度观测元素(距离变化率R)误差传播系数ε_(V1)导出的最优基线长度与测量飞行器位置状态参数的最优基线长度完全一致;而由位置观测元素(距离R)误差传播系数ε_(V2)导出的最优基线长度只在满足β=(x~2 z~2)/y~2<1.5的条件下存在。同时,飞行器速度矢量的模以正比例关系影响位置观测元素误差传播系数的值,速度矢量的方向只影响笛氏坐标系中各速度分量间的精度分配值。     

GPS 双基线载体姿态测量研究

研究了采用双基线方案测量载体的姿态,利用GPS双差相位测量基线矢量,双差伪距观测值辅助解相位整周模糊,双频时引入空间变换缩小置信空间搜索次数,通过实例分析得出了正确解算相位模糊与观测次数、伪距测量精度的关系,并利用误差传播定律对姿态测量精度进行分析,结合卫星星历数据计算表明,在卫星运行周期内航向角和俯仰角平均测量精度在一定条件下优于2mrad.     

转发式测轨系统地面设备时延测量方法

受地面设备时延误差的影响,转发式测轨系统的卫星定轨精度受到严重制约。为实现卫星精密定轨,地面设备时延误差的精确补偿至关重要,因此需要对地面设备时延进行精确测量。采用一种外环设备时延测量方法,实现对转发式测轨系统地面设备时延的实时测量。经过试验验证和分析,结果表明地面设备时延测量稳定度优于0.3ns,修正地面设备时延误差后的卫星重叠弧段的轨道差RMS值优于2m。