Validation on flight data of a closed-loop approach for GPS-based relative navigation of LEO satellites

This paper describes a carrier-phase differential GPS approach for real-time relative navigation of LEO satellites flying in formation with large separations. These applications are characterized indeed by a highly varying number of GPS satellites in common view and large ionospheric differential errors, which significantly impact relative navigation performance and robustness. To achieve high relative positioning accuracy a navigation algorithm is proposed which processes double-difference code and carrier measurements on two frequencies, to fully exploit the integer nature of the related ambiguities. Specifically, a closed-loop scheme is proposed in which fixed estimates of the baseline and integer ambiguities produced by means of a partial integer fixing step are fed back to an Extended Kalman Filter for improving the float estimate at successive time instants. The approach also benefits from the inclusion in the filter state of the differential ionospheric delay in terms of the Vertical Total Electron Content of each satellite. The navigation algorithm performance is tested on actual flight data from GRACE mission. Results demonstrate the effectiveness of the proposed approach in managing integer unknowns in conjunction with Extended Kalman Filtering, and that centimeter-level accuracy can be achieved in real-time also with large separations.     

Geometry-free linear combinations for Galileo

Global navigation satellites of the European Galileo system transmit code signals on four carriers in the L1, E5a, E5b and E6 band.New geometry-free linear combinations are presented that eliminate the geometry terms (user to satellite ranges and orbital errors), the clock errors of the user and satellites and the tropospheric delay. The remaining parameters of these carrier phase combinations include integer ambiguities, ionospheric delays, carrier phase multipath and phase noise. The weighting coefficients are designed such that the integer nature of ambiguities is maintained. The use of four frequency combinations is highly recommended due to a noise reduction of up to 14.4 dB and an ionospheric reduction of up to 25.6 dB compared to two frequency geometry-free combinations.Moreover, a modified Least-squares Ambiguity Decorrelation Adjustment (LAMBDA) algorithm is suggested, which differs in two points from the traditional approach: the baseline is replaced by the ionospheric delay and the correlation is caused by linear combinations instead of double differences. For correct ambiguity resolution, the ionospheric delay can be determined with millimeter accuracy. This is quite beneficial as the ionosphere represents the largest source of error for absolute positioning.     

基于单周多基线定位平台的空中对准技术研究

针对传统的双差分载波相位实时定位平台精度低的特点,本文设计了一种新型的基于单周期多基线组合的实时定位平台。该平台采用单周期整周模糊度算法进行模糊度解算,有效避免了周跳和初始化问题,并组合多基线测量观测值,有效地减少了单基线长度增加带来的影响,通过对平台进行建模仿真,表明其与传统平台相比具有更好的稳定性和精度。最后,本文将GPS多基线测姿算法引入,将该平台应用到空中对准技术中,进行对准仿真,取得了更高的速度和精度。     

A vectorial bootstrapping approach for integrated GNSS-based relative positioning and attitude determination of spacecraft

Traditionally in multi-spacecraft missions (e.g. formation flying, rendezvous) the GNSS-based relative positioning and attitude determination problem are treated as independent. In this contribution we will investigate the possibility to use multi-antenna data from each spacecraft, not only for attitude determination, but also to improve the relative positioning between spacecraft. Both for ambiguity resolution and accuracy of the baseline solution, we will show the theoretical improvement achievable as a function of the number of antennas on each platform. We concentrate on ambiguity resolution as the key to precise relative positioning and attitude determination and will show the theoretical limit of this kind of approach. We will use mission parameters of the European Proba-3 satellites in a software-based algorithm verification and a hardware-in-the-loop simulation. The software simulations indicated that this approach can improve single epoch ambiguity resolution up to 50% for relative positioning applying the typical antenna configurations for attitude determination. The hardware-in-the-loop simulations show that for the same antenna configurations, the accuracy of the relative positioning solution can improve up to 40%.     

一种新的GPS单频单历元定姿算法研究

将全球卫星定位系统(GPS)单历元的L1波段的载波相位和码相位观测方程进行组合求解整周模糊度的浮点解。基于对浮点解与固定解间关系的分析,提出了一种将低精度浮点解映射到固定解的方法,降低了最小二乘降相关平差(LAMBDA)算法对高精度浮点解的依赖性,避免了多个历元求解高精度浮点解,实现了单频、单历元的整周模糊度估计。实际数据测试结果表明:算法的成功率大于95%,能有效地实时解算动态姿态。     

单频GPS载波相位相对定位研究

利用 GPS载波相位作为观测量 ,研究了采用最小二乘法和 FARA法相结合进行整周模糊度搜索和相对定位的方法 ,并探讨了影响相对定位精度的主要因素和解决途径 ,进行了相关的实验研究。实验结果表明 :在短基线的条件下 ,采用该方法进行 GPS载波相位测量的静态相对定位精度可优于 1cm。     

小数偏差产品质量评估及固定性能分析

为了评估不同小数偏差产品的数据质量和模糊度固定效果，比较了2016年全年的SGG FCB产品和CNES产品，结果表明两种产品具有很高的一致性，SGG FCB产品的数据完整性更好。应用两种产品进行精密单点定位(PPP)固定解的静态结果平面位置精度可以达到1 cm以内，高程位置精度可以达到1~2 cm，采用两种产品获得的PPP模糊度固定率十分接近，动态模式下处理静态数据的位置结果可以达到平面2~3 cm，高程5 cm以内的精度，两组固定解的位置误差结果差异不超过5 mm，模糊度固定成功率分别为92.37%和92.14%，两种小数偏差产品在23分钟左右完成首次固定，能够有效提高PPP的收敛速度。使用两种小数偏差产品得到的机载动态数据结果也非常相近。     

单差PPP相位偏差估计方法及有效性分析

针对常规浮点解精密单点定位收敛时间长的问题,分析了PPP模型中模糊度不具备整数性质的原因,采用方向数据统计的计算方法,以单差模糊度为研究对象,对相位偏差进行了建模估计。算例从精密单点定位单差模糊度固定、定位精度以及收敛速度等方面对相位偏差改正的有效性进行了分析,结果表明,经相位偏差改正后的PPP模糊度固定成功率、收敛速度有了明显提高,定位精度较浮点解提高了一个量级。     

GPS用于航天器交会对接的方案与模糊度OTF解算研究

设计了GPS相对导航在航天器交会对接中应用的两种方案 ;认为在交会对接相对导航的过程中 ,可以进行载波相位模糊度的OTF解算 ,以直接利用高精度的载波相位观测量 ,提高交会对接测量的精度。通过实算 ,对结论进行了验证。     

载波相位测量中整周模糊度的解算与仿真

对整周模糊度解算全过程进行描述并提出GPS信号受到干扰条件下确定整周模糊度的一种方法。该方法将惯导伪距作为待定点目标位置的近似值 ,代入双差相位测量方程里 ,推导出误差项 ,通过最小二乘算法得到实数解的整周模糊度 ,再分别通过快速模糊度搜索法和综合模糊度搜索法进行整周模糊度搜索 ,通过仿真检验该方法的正确性同时对比两种算法性能。     

基于M-W组合的中长基线RTK定位方法研究与实现

介绍一种实现GPS中长基线实时动态(RTK)定位的方法,研究基于M-W组合搜索双频GPS载波相位模糊度的方法,最终使用消电离层LC载波相位组合观测量进行相对定位。车载试验结果表明,对于双频GPS接收机,流动站距离基准站50km以内,使用本方法RTK定位可以达到5cm(RMS)的点位精度。     

多基线组合求解深空航天器载波相位模糊方法

针对深空航天器高精度定位需求,提出多基线组合求解载波相位模糊方法,获得比群时延更精确的相时延,极大地提高无线电干涉测量精度。首先建立多基线组合求解载波相位模糊的数学模型,推导该方法对长短基线组合的约束条件。然后利用美国甚长基线阵(VLBA)对本文方法进行仿真校验,结果表明航天器定位精度可以达到纳弧度量级。最后结合我国已有干涉测量网,分析在我国未来深空探测任务中采用多基线组合测量载波相时延的可行性,给出满足方法约束的站址选择建议,可为我国深空导航无线电干涉测量技术的发展和深空测控网的完善提供参考。     

一种GPS快速定位技术研究

用LAMBDA方法确定GPS载波相位测量的整周模糊度,需要较高精度的浮点解。但用短时间GPS观测值构建的法方程容易出现病态,以致法方程的解很不稳定。本文使用谱修正迭代法,消除法方程病态,进而用LAMBDA方法确定整周模糊度。我们的实验结果表明,对于1min左右的单频GPS载波相位测量,利用本文方法即可正确地解算出它的整周模糊度,从而实现厘米级定位。     

基于岭估计理论实现GPS快速定位研究

针对在短时间内 GPS观测方程的法方程容易形成病态的实际 ,探讨用岭估计理论消除其病态性的方法 ,然后用 LAMBDA方法确定其整周模糊度。实验证明 ,对于单频 GPS接收机 ,在 1 min左右 ,利用该技术即可正确确定整周模糊度 ,从而实现厘米级定位     

用相对差分GPS技术确定绕飞轨道

本文对各种GPS相对差分技术进行了研究 ,提出了利用Kalman滤波确定高动态情况下载波相位整周数的方法。对用GPS相对位置差分、GPS相对伪距差分、GPS相对载波相位差分确定绕飞轨道进行了初步仿真     

基于双频GPS观测信息和星间距离测量的高精度星间相对定位方法

以双星编队为对象，建立了基于GPS双频P码、双频载波相位以及星间距离观测信息的相对定位样条模型。理论分析与仿真结果表明：与仅采用单频GPS测量信息相比，该方法不仅能有效地提高相对定位精度，而且还能大大减少整周模糊度判定所需的历元数。     

一种解算整周模糊度几何算法实现GPS快速测姿

在多天线GPS姿态确定系统中,整周模糊度的确定一直是姿态解算的一个难题。针对载波相位双差模型,本文提出一种新的几何解算双差整周模糊度的方法。该方法首先利用C/A码数据完成姿态初步解算;然后根据初步解算的姿态参数、各天线间基线分量参数和卫星到接收机在当地水平坐标系中的向量,再利用本文提出解算双差整周模糊度几何算法求取整周模糊度双差值;将整周模糊度双差值代入载波相位双差模型反解精确的各天线坐标分量,由取得的各天线坐标分量解算得到精确的姿态参数。同时,应用本文所提出的方法,对采集的GPS多天线静态数据和动态数据进行了姿态测量解算,验证了所提方法的有效性。     

适用于CEI的GEO卫星相时延解算方法及试验

为解决在实际航天任务中利用连线干涉测量(CEI)技术进行高精度GEO卫星定轨以及共位GEO卫星相对定位时面临的载波相位整周模糊度难题，提出了一种基于卫星下行信号的多弧段融合相位模糊度解算方法，它通过相邻多弧段载波相位值和窄带信号群时延值的融合处理可精确获得无模糊载波相时延观测量。对提出的方法进行了性能仿真和实际外场试验验证，结果表明：在20 km基线上，利用北斗GEO卫星的伪码测距信号和天链卫星的测控信号均成功实现了S频段解载波整周相位模糊，相时延测量精度优于0.1ns，对应GEO卫星定轨精度优于54 m。该方法在国内首次实现了在几十km基线量级上利用几百kHz窄带测控信号获得无模糊载波相时延，具有较好的工程应用前景。     

面向空间目标相对轨道确定的编队优化方法

针对提高空间目标相对轨道确定精度的问题，研究了在主航天器轨道运动受限时，通过设计和优化辅航天器相对轨道要素的航天器编队优化方法。首先，介绍了基于扩展卡尔曼滤波的双视线测量相对轨道确定方法；之后，通过研究双视线测量下的空间目标定位误差变化规律，得到了减小定位误差的角度条件；然后，通过分析该角度条件和辅航天器相对轨道要素的关系，设计并采用遗传算法优化了辅航天器相对轨道；最后，数学仿真结果表明，设计的编队可保证目标相对位置估计误差收敛，优化后的编队可使目标相对位置估计误差减小至0.3 km且不超过1.2 km。     

运载火箭纵缝焊接系统定位压紧机构的研制

根据新一代运载火箭纵缝焊接系统的技术要求,研制了一套专用定位压紧机构。针对其定位精度和加工要求,采用工件在定位模胎上固定,由琴键压紧机构压紧的方案,并应用ANSYS对其关键零部件进行了有限元分析,从而为运载火箭纵缝焊接系统的研制成功奠定了基础。