星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航

为解决星座仅依靠星间链路测量进行自主导航时的整体旋转和漂移问题,提出一种星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航方法.通过星间观测相机和磁强计,获得同轨道相邻卫星视线矢量与地磁场方向之间的角距和地磁场模值,为低轨星座引入空间基准信息.在非秩亏性分析的基础上,分别建立状态方程和量测方程,利用扩展卡尔曼滤波方法进行整星座的最优状态估计.仿真结果表明,星座卫星自主导航位置精度优于20m,速度精度优于0.05m·s-1,自主导航运行时间维持180天,能够满足低轨卫星星座自主导航的应用需求.      

导航卫星的地面站定轨算法

导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分,而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此,研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测,将导航卫星钟差参数作为状态量,推导了滤波算法的状态方程、测量方程,并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导航卫星为例进行了2天的仿真试验,考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断,并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明,4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级,钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级,并且在滤波中断后重启滤波器,仍然可以达到此估计精度,表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。     

一种近地卫星自主定轨的联合滤波算法

地磁场具有完整的数学模型,而地磁场矢量是卫星的位置矢量函数,利用地磁场测量可以实现近地卫星的自主导航。首先建立近地卫星的高精度轨道动力学模型,提出基于星敏感器与磁强计相结合的自主导航算法,利用星敏感器输出高精度的姿态信息,同时恒星星光矢量与地磁场矢量组成两种观测模式,采用联合滤波算法对系统进行数值仿真,并对滤波算法的收敛性和仿真结果的精度进行了分析。通过对数值仿真结果的分析证实了该方案具有良好的鲁棒性和容错性。     

基于引力场不对称性的三体系统轨道自主导航

以月球背面的中继通信为背景,提出了基于三体系统引力场不对称特性的星–星测距自主定轨方案。该方案以环月极轨卫星和地–月L2点Halo轨道卫星组成中继通信网,以实现对月球两极和背面的覆盖。通过采集极轨卫星与Halo轨道卫星的测距信息,结合卡尔曼滤波在日–地–月动力学模型下获得两颗卫星的绝对轨道。数值仿真结果表明:本文方法能将导航的位置精度和速度精度分别提高到百米和厘米/秒量级。该自主导航方法还可以扩展到不规则引力场小天体附近星群运动的自主导航。     

基于视线测量和轨道预报高轨非合作目标相对导航方法

对于非合作目标,由于中远距离星上相对测量手段有限,大多情况仅能获得视线角信息.仅视线测量相对导航方法在GEO轨道条件下滤波精度低、可观测性差.提出一种基于星间视线方位测量和轨道预报信息结合的非合作目标相对导航方法.建立基于星间相对运动模型的状态方程和基于星间视线测量和轨道预报信息的观测方程,分别选取了扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波两种方法,仿真分析了轨道预报信息精度和滤波方法对导航精度的影响.     

基于资源一号02B卫星姿态敏感器的自主导航

阐述了利用星敏感器和圆锥扫描式红外地球敏感器进行自主导航的原理,以资源一号02B卫星的飞行数据为基础,进行了自主导航的地面实验,发现采用国产红外地球敏感器和星敏感器的资源一号02B卫星可以实现较高精度的自主导航,实验结果说明了该自主导航方案的可行性.     

中轨道Walker导航星座在轨备份方案优化设计

针对中轨道Walker导航星座在轨备份方案的优化问题,首先提出了在轨备份星轨位优化设计方法,考虑星座运行期间在轨备份星与工作卫星存在共同提供服务的情况,选取PDOP值和可见卫星数作为轨位优化指标,建立了轨位优化模型,并基于NSGA-Ⅱ算法对不同轨位下在轨备份星对导航星座服务性能的提升效果进行仿真分析;然后,基于在轨备份星轨位的优化结果,建立在轨备份星替换的轨道机动模型,并综合考虑速度增量和替换时间,确定了以替换时间最少为优化目标的在轨备份星替换方案。结果表明,提出的在轨备份方案能有效满足备份星的设计需求,增强导航星座的服务性能,实现故障卫星的快速替换,可为导航星座备份星的建设提供借鉴。     

基于资源一号02B卫星红外地球敏感器和星敏感器的自主导航

 本文阐述了利用星敏感器和红外地球敏感器进行自主导航的原理。以资源一号02B卫星的飞行数据为基础,进行了自主导航的研究,结果表明采用国产红外地球敏感器和星敏感器的资源一号02B卫星可以实现较高精度的自主导航,说明了该方案的可行性。     

编队飞行卫星群相对轨道测量研究

编队飞行卫星群自主式相对轨道测量和确定是绕飞轨道的关键技术之一,考虑了利用星敏感器和雷达以及利用GPS(Global Positioning System)信号来进行相对定轨的传统方式,提出了基于伪卫星技术的定轨方案.伪卫星技术指在卫星上安装载波发生器和接收器,利用这些装置来进行卫星间的距离测量.在这些方案中,应用了差分GPS技术,采用优化方法求解多元非线性方程.这些测量方法分别适应于不同的情况.利用相对轨道要素的概念,在前面测量结果的基础上,通过卡尔曼滤波进一步提高了定轨精度.仿真计算表明这些方案可以满足不同尺度编队构型保持要求,并给出了部分结果.     

卫星编队飞行的相对轨道自主确定研究

为了研究卫星编队飞行相对轨道的自主确定,基于相对轨道根数建立编队卫星间的相对运动方程,利用测量所得到的星间距离和方位信息作为观测量。不同于目前广泛采用的扩展卡尔曼滤波算法,设计Unscented Kalman Filter(UKF)算法实现卫星编队飞行的相对轨道自主确定。仿真结果表明这种相对轨道自主确定方案能获得较高的定轨精度。     

严格回归轨道的管道导航方法研究

分析了作为参考轨道的严格回归轨道与卫星在轨运行状态的相对运动关系,提出近地遥感卫星的管道导航方法。由于参考轨道的设计只考虑高精度的地球非球形摄动,与在轨卫星的动力学环境存在差别,这导致两者之间存在切航向漂移。基于高精度的轨道动力学模型和位置确定方法,设计了卫星与参考轨道采样点的沿航向对齐算法,从而获取了卫星相对参考轨道采样点的相位时间偏差和卫星在参考轨道编队坐标系切航向平面内的相对运动轨迹,进而引入椭圆的“最小二乘适配法”获取相对运动轨迹的特征量。所研究的管道导航方法可应用于基于GNSS测量数据的卫星自主轨迹保持。     

提高卫星自主导航精度的滤波算法和仿真

如何实时准确地对系统误差进行估计和校准提高基于“地-日-月”测量的卫星自主导航精度的一个重要途径。针对这一问题,将系统误差作为新增的状态向量,设计了轨道参数状态与系统误差状态解耦估计的两步滤波算法,该算法在估计轨道参数的同时校准系统误差,数学仿真结果表明,采用文章所提出的滤波算法可以将自主导航的位置精度从10km(3σ)量级提高到300m(3σ)左右。     

利用条件平差实现导航星座自主守时方法

针对导航星座自主导航系统的重要组成部分———自主守时系统,提出了一种简便易行的新算法:根据星间测距数据,采用条件平差进行自主守时计算;并且介绍了此方法基本原理和实现思路。自主守时仿真计算表明,此方法守时同步误差不累积,距离测量误差0.1m时,时间同步误差均方根小于0.4m。     

Hardware-in-the-loop simulations of GPS-based navigation and control for satellite formation flying

A relative navigation and formation control algorithm for satellite formation flying was developed, and a hardware-in-the-loop (HIL) simulation testbed was established and configured to evaluate this algorithm. The algorithm presented is a relative navigation estimation algorithm using double-difference carrier-phase and single-difference code measurements based on the extended Kalman filter (EKF). In addition, a state-dependent Riccati equation (SDRE) technique is utilized as a nonlinear controller for the formation control problem. The state-dependent coefficient (SDC) form is formulated to include nonlinearities in the relative dynamics. To evaluate the relative navigation and control algorithms developed, a closed-loop HIL testbed is configured. To demonstrate the performance of the testbed, a test formation flying scenario comprising formation acquisition and keeping in a low earth orbit (LEO) has been established. The relative navigation results from the closed-loop simulations show that a 3D RMS of 0.07 m can be achieved for position accuracy. The targeted leader–follower formation flying in the along-track separation of 100 m was maintained with a mean position error of approximately 0.2 m and a standard deviation of 0.9 m. The simulation results show that the HIL testbed is capable of successful demonstration of the GPS-based satellite autonomous formation flying mission.     

The influence of orbital maneuver on autonomous orbit determination of an extended satellite navigation constellation

The right ascension of the ascending node is unobservable if only the inter-satellite ranging is used for autonomous orbit determination (AOD) of an Earth navigation constellation. However, if an Earth-Moon libration point satellite is added to the Earth navigation constellation to construct an extended navigation constellation, all the orbital elements can be determined with only the inter-satellite ranging. Furthermore, the extended navigation constellation can provide navigation information for interplanetary probes. For such an extended navigation constellation, orbital control needs to be considered due to the instability of the libration-point satellite orbit. This study concerns the influence of satellite orbital maneuver on the AOD of the extended navigation constellation. An AOD method under orbital maneuver is proposed. A low thrust controller is designed to achieve libration point satellite autonomous orbit maintenance by using AOD results. A navigation constellation consisting of three GPS satellites and one libration point satellite are designed for simulation. The simulation results show that libration point satellites can achieve autonomous navigation and autonomous orbit maintenance by only using inter-satellite ranging information. The rotation drift error of the Earth navigation constellation is also suppressed.     

基于UKF的雷达高度计自主定轨

探讨了利用推广卡尔曼滤波估计非线性系统状态时存在的问题,从而介绍了目前广泛使用的分步逼近的卡尔曼滤波(UKF,Unscented Kalman Filter).为了提高导航的可靠性和准确性,在星敏感器导航系统中引入雷达高度计作为一个新的测量设备,提出了一种基于星上雷达测高仪及星敏感器联合进行卫星自主定轨的算法.建立了比较复杂的地球海平面模型,并考虑了其中风生重力波的影响. 利用雷达测高仪的测量结果和地球形状模型,计算地心矢量在卫星本体中坐标系的方向.利用UKF滤波定轨算法,明显提高了自主定轨的精度.数值仿真结果表明,UKF定轨精度要远优于推广卡尔曼滤波.      

UKF方法在脉冲星自主导航中的应用

针对X射线脉冲星自主导航中的非线性系统滤波问题，将无迹卡尔曼滤波方法应用于自主导航计算过程中。首先，在简述脉冲星导航可行性的基础上，研究了脉冲星自主导航系统的基本原理和实施方案。然后，根据牛顿二体引力模型构建了航天器运动状态方程，根据脉冲到达时间模型建立了系统观测方程，并对二者进行了误差分析和建模。最后，将UKF算法应用于航天器自主导航过程中，仿真结果表明该方法能够实现航天器自主导航信息的解算。     

一种多步的基于切换星间测量的多星自主导航算法

针对基于星间测量的多星自主导航问题,从载荷优化和节约成本考虑,提出了一种单套敏感器切换测量的导航方案。建立了该导航方案下的系统状态空间模型,并基于扩展卡尔曼滤波方程给出了导航估计算法。基于多步卡尔曼滤波方法,将集中的滤波算法解耦为多个平行的子滤波器,使计算量降低到原算法的50%以下,并且在切换测量的导航方案下,部分解耦出的子滤波器可以只预测不更新,能够进一步地降低计算负担。给出了多步滤波算法的推导过程,证明了其与标准卡尔曼滤波的数学等价性,故算法的估计性能及计算结果与标准卡尔曼滤波一致,但计算速度有明显提升。最后,通过具体算例给出了算法的仿真验证。     

Analysis of BDS-3 distributed autonomous navigation based on BeiDou system simulation platform

Satellite autonomous navigation is an important function of the BeiDou-3 navigation System (BDS-3). Satellite autonomous navigation means that the navigation satellite uses long-term forecast ephemeris and Inter-Satellite Link (ISL) measurements to determinate its own spatial position and time reference without the support of the ground Operation and Control System (OCS) for a long time to ensure that the navigation system can normally maintain the time and space reference. This paper aims to analyze the feasibility of distributed autonomous navigation algorithms. For the first time, a ground parallel autonomous navigation test system (GPANTS) is built. The performance of distributed autonomous navigation is then analyzed using the two-way ISL ranging of BDS-3 satellites. First, the BDS simulation platform and the GPANTS are introduced. Then, the basic principles of distributed satellite autonomous orbit determination and time synchronization based on ISL measurements are summarized. Preliminary evaluation of the performance of the BDS-3 constellation autonomous navigation service under ideal conditions through simulation data. Then the performance of autonomous navigation for 22 BeiDou-3 satellites using ISL measurements is evaluated. The results show that when satellites operate autonomously for 50 days without the support of any ground station, the User Range Error (URE) of autonomous orbit determination is better than 3 m, and the time synchronization accuracy is better than 4 ns.     

月球软着陆过程高精度自主导航避障方法

针对未知地形和障碍会危及着陆安全的问题,给出了一种月球软着陆过程高精度自主导航避障方法,主要包括基于IMU配以测距测速修正的自主绝对导航、障碍识别与目标着陆点选取、针对目标着陆点的相对导航与相对避障控制等算法。该方法在保证着陆精度的同时也大大降低了着陆过程遇到障碍的风险,提高了系统的安全性,已成功应用于实际工程任务。