基于星间链路的分布式导航自主定轨算法研究

针对脱离地面支持自主定轨的导航应用需求,提出了基于星间链路双向测距的自主导航定轨算法。文章分析了导航星座星间链路双向伪距测量模型,给出了分布式自主定轨数据流程,设计了导航星座基于星间链路分布式自主定轨算法。根据国际卫星导航服务组织公开的真实GPS系统事后精密星历,对本文设计的自主定轨算法进行仿真验证,结果表明：采用该设计的自主导航算法在自主定轨90天末期,用户测距误差（URE）达到30 m左右,验证了该设计的自主定轨算法具有较高的自主定轨精度。     

一种同轨区域集中的北斗卫星自主导航算法

基于北斗三号卫星配置规划,提出了一种同轨区域集中的北斗卫星自主导航算法。利用Ka星间链路指向切换灵活特性与激光链路高速通信特性,并克服激光终端异轨面通信困难,指向切换不便等缺陷,算法设计将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利用激光星间链路传入轨道面主卫星中,从而将测距信息集中处理并完成轨道面内各卫星的轨道信息更新。并且,本文还搭建了星内模拟仿真环境,对算法精度及性能进行验证。仿真结果表明,同轨道区域集中自主导航算法可在星内仿真环境中稳定运行,且其导航精度远优于分布式自主导航精度。     

一种基于星载GNSS接收机的高轨卫星自主导航滤波算法

星载GNSS接收机在低轨卫星自主导航和精密定轨等应用领域已经显示了高精度、高自主性、不依赖地面支持等技术优势。对于高轨卫星应用，星载GNSS接收机面临一些新的挑战。由于需要接收来自地球另外一侧的GNSS旁瓣信号，使得用户等效测距误差和几何分布因子恶化，引起标准定位性能下降。特别的，对于只能使用GNSS广播星历的实时自主导航应用，GNSS广播星历引入了非白噪声特性的用户测距误差。其难以被经典的EKF滤波方法平滑，限制了自主导航定位精度。文章研究一种基于星载GNSS接收机的高轨卫星自主导航滤波算法，该算法使用增强扩展卡尔曼滤波器（Augmented EKF）融合轨道动力学模型与GNSS观测数据，并对GNSS广播星历引入的系统性误差进行动态估计以削弱其对最终导航定位的影响。最后，通过仿真平台进行了算法验证。仿真结果显示，使用单GPS可在GEO轨道达到优于10米（3D RMS）的导航定位精度。文章提出的方法达到与国际先进产品同等精度，可用于高轨卫星高精度自主导航。     

导航星座整网自主定轨的动力学短弧段伪逆平差法

针对传统静态自由网平差进行自主定轨存在的秩亏问题，提出一种卫星动力学短弧段定轨和自由网伪逆平差理论相结合的自主定轨算法。该算法以导航星座星间链路(ISL)双向测距为基础，利用伪逆平差法，解决整网位置解算起算数据不足带来的秩亏问题；同时，利用轨道动力学建立不同历元之间状态转移关系，解决单历元平差无法对速度分量进行有效估计的问题。仿真结果表明，自主运行90天，平均用户测距精度（URE）小于1 m（2σ），优于导航星座自主运行指标要求，验证了本文算法的有效性。     

BOC导航接收机伪码测距零值分析

伪码测距零值是现代卫星导航领域的重要指标,目前对于高精度BOC导航接收机的信道建模和仿真尚没有一般性的量化分析方法。针对这种情况,提出了基于副载波相位消除跟踪算法的零值估计模型,并推导了任意信道特性滤波器与伪码测距零值的关系式,然后定量地分析了信道特性对于测距零值的影响;最后在软件接收机上进行了仿真检验。     

基于码元同步环路的激光测距通信一体化算法优化研究

精密测距与高速通信一体化技术已发展成为星间激光链路的主要研究方向之一。为了探究基于空间激光通信系统的通信解调算法对测距性能的影响机理，根据现有的激光通信系统架构，分析了测距通信一体化系统的工作原理，搭建了基于码元同步的激光测距通信一体化系统模型，分析了基于Gardner同步环路信号跟踪系统的测距精度，并对鉴相算法进行了优化。理论和仿真证明，优化后的码元同步环能够同时实现码元同步判决和距离解算，并得到了4 dB的噪声容忍度提升，其测距方差主要与基带成型滤波参数、环路带宽、载噪比以及鉴相增益等因素有关。该算法简洁，不受载波相位影响，对高阶调制具有良好的兼容性，适用于空间激光链路系统，丰富了测距通信一体化理论，为后续一体化系统设计提供了仿真依据。     

基于自适应动态平差的导航星座自主时间同步方法

基于近代平差理论系统地讨论导航星座的自主时间同步问题,建立了自主时间同步的空间自由网平差模型,提出基于星间双向测距链路和原子钟模型的自适应动态平差算法。该算法对污染测量值采用抗差M估计,而对各卫星钟差模型采用不同的自适应因子调节。给出了简要的理论分析和关键的仿真技术。结果表明,该算法能有效地控制观测误差和模型误差的影响,实现星间高精度自主时间同步。     

扩频精密测距的动态数据处理技术

精密测距技术是导航定位系统进行定位和实现远距离时间同步的有效途径。如何在不影响实时性的前提下提高测距值的精度，对导航定位系统时频系统的建立具有重要意义。文章不同于通常的GPS动态滤波，而是直接对测距接收机测得的距离值进行建模，并应用自适应卡尔曼滤波对测距值进行实时动态处理。然后比较所建立的动态模型与实际应用中卫星与地面站间的距离模型的吻合程度，经过详细的MATLAB仿真，验证了动态滤波算法在保证实时性的前提下提高了测距精度。     

近地轨道航天器编队仅测距相对导航方法

针对地球中高轨道卫星导航信号不可用或不可信赖情况下的航天器编队自主相对导航问题,提出一种基于星载数据链仅测距的航天器相对导航新方法。首先,在地球非球形J2引力摄动条件下建立适用于椭圆轨道的线性化相对运动动力学模型,并建立基于星载数据链的飞行时间测距模型。然后,通过理论推导与数值仿真结合的方式对建立的仅测距相对导航系统进行可观测性分析,得出至少存在三种镜像模糊轨道的结论。接着,建立可用于提升系统可观测性的几何拓扑一致性约束模型,设计基于一致性无味卡尔曼滤波的分布式估计策略,并研究对应的相对导航误差传播规律。最后,通过标准蒙特卡洛打靶对所提算法进行仿真校验。仿真结果表明,相比于Tschauner Hempel(TH)动力学模型,利用建立的J2摄动相对运动动力学模型设计的仅测距相对导航系统能达到更高的相对导航精度,一致性无味卡尔曼滤波算法也能够有效提高编队导航的可观测性。     

双频GNSS接收机射频前端的系统设计

结合全球导航卫星系统中各种卫星信号的频段分布,提出一种适用于双频接收机的射频前端结构,讨论基于该结构的本振频率的选取方法。以GPS的L1频段和Galileo的E1频段为例,对该系统进行仿真验证。仿真结果显示,双频接收机射频前端的各项指标均达到了设计要求。     

Autonomous navigation for a group of satellites with star sensors and inter-satellite links

This paper studies the autonomous navigation method for a group of satellites based on relative position measurements, which can be obtained by using inter-satellite links for measuring relative range and navigation star sensors for measuring relative bearing. For the satellites that are far from each other, it may be difficult to obtain relative bearing measurement due to poor visibility. To address this difficulty, this paper proposes a novel scheme, where three satellites, whose relative ranges are rather small such that the relative bearings can be observed, are used as beacons for the navigation of the other satellites that are invisible. The feasibility of the proposed navigation scheme is analyzed by using the Cramer-Rao lower bound (CRLB), with the consideration of the availability of relative bearing measurements. In addition, the multiple model adaptive estimation (MMAE) algorithm is adopted to improve the convergence speed of the estimator in the presence of large initial errors. Simulation results illustrate the high performance of the proposed scheme.     

一种无源北斗/惯导闭环组合算法

提出了一种北斗卫星定位系统和惯性导航系统的组合导航无源定位算法。以伪距率为观测量,基于高稳定度用户时钟,结合北斗系统的热备份星,在三星共视下用两级卡尔曼滤波器对惯导进行闭环校正。给出了组合导航系统的构成,以及第一、二级滤波的数学模型。该法能根据收星情况在闭环与开环方式间稳定转换。仿真结果表明,此算法可提高丢星时组合导航系统的滤波定位精度,有效校正惯导的姿态误差角,并以较高的精度估计用户的三维速度。     

基于高轨导航接收机的自动化地面测试系统

高轨卫星导航接收机是实现高轨航天器自主定轨的核心设备。为在地面测试阶段对高轨卫星导航接收机进行充分高效的验证，亟需设计基于高轨卫星导航接收机的地面测试系统。设计了一种基于高轨卫星导航接收机的自动化地面测试系统，主要创新点如下：第一，本系统可对高轨卫星导航接收机实际在轨状态下接收到的导航星座信号进行仿真；第二，具有模拟包含北斗三号等多导航卫星星座信号的功能；第三，本系统充分考虑自动化、通用化与一体化设计。提出的基于高轨卫星导航接收机的自动化地面测试系统能够在地面测试阶段对高轨卫星导航接收机进行充分验证，并充分考虑测试实施，从自动化、通用化、一体化方面提升测试效率，减少人为操作失误导致的质量问题，解决人工判读带来的误判漏判问题。     

一种星间设备系统偏差的标定方法

针对Ka波段测距体制中星间测距设备系统偏差标定困难从而影响自主导航精度的问题,提出用星地无线电双向时间比对的方法标定星间设备系统偏差。通过两条星地双向链路并在这两颗卫星间建立一条星间双向链路进行标定。结果表明：该方法能够标定星间设备系统偏差,其RMS优于1ns,从而起到提高星间时间同步精度的目的。     

基于单脉冲跟踪体制的V频段宽带角跟踪 接收机设计与验证

随着高通量通信卫星系统对星间数据传输速率需求的不断提高,星间链路的工作频段将由Ka频段逐渐向频率资源更加丰富的毫米波频段发展。为了满足星间链路对毫米波频段自动角跟踪系统的发展应用需求,给出了一种基于单通道单脉冲角跟踪技术的V频段宽带角跟踪接收机的设计方案。采用LTCC和MCM技术实现了V频段接收组件的集成一体化设计;采用基于IQ正交混频的跟踪调制器结合数字相位补偿的单通道单脉冲角误差信号处理技术完成了宽带输入信号的角误差信号解调。在产品研制基础上,搭建了V频段角跟踪接收机测试系统,测试结果表明该V频段宽带角跟踪接收机可以完成对-95dBm~-55dBm输入信号电平范围内多种宽带数据传输信号的角误差信号解调,角误差信号抖动优于±250mV;表征输入信号电平强弱的AGC遥测电压随输入信号电平的增大而单调递增,各项指标满足V频段星间链路建链需求,为我国后续将要发展的毫米波星间链路系统奠定了扎实的技术基础。     

基于星间链路的多星系统分散定轨算法

介绍了一种基于星间链路信息的多星系统自主导航方法。首先以星间相对位置矢量为观测量建立两星系统的观测方程,采用强跟踪滤波(STF)算法进行集中定轨,获得卫星的参考轨道信息。在此基础上,建立单星的观测方程,然后使用加权最小二乘估计器和卡尔曼滤波器进行单星轨道确定,从而实现了一种不需要长期轨道预报信息的分散定轨算法。数学仿真表明,该算法是可行的,且具有较好的定轨精度。     

Galileo/北斗组合系统GDOP改善方法研究

从理论上来说,导航卫星数量越多,可提供的几何精度下降因子(GDOP)就越小。但是在进行Galileo/北斗组合系统仿真时,却发现其GDOP反而变差。文中对此进行了理论分析,指出出现该现象的原因在于两个卫星导航系统存在时间差,并且其中一个系统的可见星数过少。为解决该问题,文中提出播发系统间时差的方法,可使组合系统的GDOP相对单系统得到一定的改善。仿真结果表明,该方法可以改善GDOP。     

相对轨道自主确定方法的改进

编队飞行卫星相对轨道的确定具有重要意义。本文提出一种完全自主的定轨方案,在利用星间测量信息实现编队飞行卫星自主定轨的基础上,引入太阳敏感器测量信息,利用扩展卡尔曼滤波算法提高环绕星相对轨道确定精度。仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。     

星载相控阵GNSS-R测高系统设计与实验

星载GNSS-R测高系统采用多波束相控阵天线和干涉互相关处理方式,接收北斗导航卫星和GPS导航卫星发射的L波段导航直射信号与海面反射信号,进行海面高度探测。详细介绍GNSS-R测高系统设计与实现、集成和外场试验等,外场试验不仅验证了相控阵GNSS-R测高系统功能,更重要的是验证了核心软件算法的正确性。GNSS-R测高系统适用于中尺度海洋现象的观测,可在时间和空间尺度上扩展雷达高度计的观测能力,并与之相互补充,有利于对复杂海面的中尺度结构进行较高时间分辨率的观测。GNSS-R测高仪为星载高精度海面高度探测提供了新型载荷。