空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式:地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。     

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式：地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。     

椭圆轨道航天器相对导航的多项式插值滤波算法

针对运行于椭圆轨道的航天器的相对自主导航问题,建立了惯性坐标系下的近距离相对运动方程,方程中没有圆轨道的假设,相对Clohessy-Wiltshire(C-W)方程具有更广的应用范围。将二阶多项式插值(Divided Difference 2,DD2)滤波应用于相对导航算法中,和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)相比,前者不需要对状态方程组进行微分处理,且对非线性函数统计特性近似到二阶程度。数值仿真比较了DD2滤波和EKF两种算法的性能,验证了利用惯性坐标系下的近距离相对运动方程实现相对导航的可行性,并分析了主动航天器的轨道和姿态确定误差对相对导航精度的影响。     

GPS/GLONASS/GALILEO多星座组合导航系统研究

通过对多星座组合导航系统的分析,对多星座组合导航定位算法进行了研究。由于GPS、GLONASS、GALILEO系统分别采用了不同的坐标系,文中利用坐标系变换将不同星座统一到同一个坐标系中,采用增加状态变量的方法实现了组合系统的时间统一,从而实现了多星座间的时空统一;针对多星座组合系统的可见卫星数目大大增加的特点,采用最小二乘的方法实现了用户的导航定位解算,提高了用户的定位精度。通过对GPS/GLONASS/GALILEO多星座组合导航系统的仿真研究,其结果表明:与GPS单星座相比,GPS/GLONASS/GALILEO多星座组合导航系统,同一时间内可见卫星数目大大增加,PDOP值明显减小,有效提高了导航定位精度,具有良好的定位性能和可靠性。     

月球着陆器悬停阶段相对自主导航方法

月球着陆器着陆阶段导航信息分析是实现安全软着陆月面的一个关键.针对悬停阶段导航信息的要求,根据月球着陆器携带的仪器设备及其获取月面信息的特点,利用激光测距仪和光学导航相机进行光学相对导航.首先建立相对导航坐标系;其次根据各个坐标系之间的关系确定各转换矩阵和导航信息,估算着陆器相对月面着陆点的位置和姿态;最后通过仿真实验对该方法进行验证.结果表明,将激光测距仪和光学导航相机在着陆悬停阶段获取的月面信息进行融合,能快速、精确进行相对位置、姿态计算;对我国下一步的探月有重要应用价值,并可应用于火星探测和其他小行星探测的软着陆的近距相对导航.      

基于面阵靶标的摄像机定向技术研究

提出一种相机定向方法.在透视投影和坐标变换的基础上,应用靶标与其像点的单应性,建立靶标坐标系与摄像机坐标系之间的转换关系,从而确定摄像机在靶标坐标系中的姿态、位置,通过在三坐标测量机上的实验表明该定向技术的正确性,该技术在相机定向领域有一定的实用价值.     

短航程对象的导航误差方程及修正

远程运动对象常选地平坐标系为导航系,短航程的对象可选切平面惯性坐标系为导航系。本文推导了切平面惯性系统的导航误差方程;作为应用研究进行了误差分析,建立了精度与惯导装置误差源的解析联系。由于地球自转会引入误差,本文讨论了补偿地球自转的修正方法。     

火星探测器自主导航方法综述

火星是人类深空探测的重要目标之一,火星探测器的自主导航是探测任务的重要支撑技术。针对火星探测器自主导航方法的国内外研究现状进行综述与总结,讨论和分析了火星探测器自主导航可行的导航信标和测量手段,对自主导航算法需要研究的关键技术进行了梳理和探讨,提出了火星探测器在巡航段、捕获段和环绕段等不同阶段场景下的测量手段、自主导航方法的建议和设想。     

EKF/UKF在编队飞行卫星GPS相对导航中的应用

 　航天器编队飞行协调工作,必须精确确定各航天器的相对位置和相对速度,即进行编队飞行相对导航。将扩展卡尔曼滤波(EKF,extended Kalman filter)和非线性滤波unscented Kalman filter(UKF)算法同时应用于编队飞行卫星的载波相位差分GPS相对导航。EKF与UKF算法原理不同,UKF算法的精度比EKF的精度高。在实际应用中,可以将两种算法组成互为备份的相对导航滤波器,这样可提高滤波系统冗余性能。     

卫星推进及控制装置准直测量方法研究

在传统的卫星推进及控制装置准直测量方法的基础上,提出两种新的测量方法,即小角度准直测量法和三维坐标准直测量法,并给出了相应的数据处理方法。所提出的方法测量精度高、测量速度快,无需转台整平,也不必对转台上的定位销进行精确准直。     

ITRS/GCRS transformation: Uncertainty propagation analysis and short-term modelling of IAU 2006/2000A developments

A study of the uncertainty propagation in ITRS/GCRS transformation is presented in this work. General law of propagation of variances is applied to the ITRS/GCRS transformation matrix, deriving the analytical expressions to compute GCRS position uncertainty. This evaluation is based on EOP uncertainties provided by IERS long-term series and formal uncertainties of ITRS-compatible coordinates. Numerical results for the period 1998–2016 are shown and discussed for ITRS positions in different altitudes and latitudes, providing graphical and numerical insights of the mapping of EOP uncertainties to transformed coordinates.Eventually, an analysis of short-term evolution of the Celestial Intermediate Pole coordinates in the GCRS provided by the IAU2006/2000A precession-nutation model is carried out, in order to assess the feasibility to potentially broadcast these parameters in GNSS navigation message. This approach would facilitate the dissemination of terrestrial-celestial transformation parameters for real time users, given that polar motion and UT1-UTC are already foreseen in GPS interface specification. The results presented in this work confirm the feasibility of this idea.     

Some qualitative manifestations of the physical libration of the Moon by observing stars from the lunar surface

Targets and problems of the future Japanese project ILOM (In situ Lunar Orientation Measurement), which is planned to be realized as one kind of observations of lunar rotation at the second stage of SELENE-2 mission, are briefly described in the article. Inverse problem of lunar physical libration is formulated and solved. Accuracy of libration angles depending on accuracy of measuring selenographic coordinates is estimated. It is shown that selenographic coordinates of polar stars are insensitive to longitudinal librations τ(t). Comparing coordinates calculated for two models of a rigid and deformable Moon is carried out and components sensitive to Love number k₂ and to anelastic time delay are revealed.     

无人机组合导航直接法与间接法滤波方式比较

全球导航卫星系统/惯性导航系统（GNSS/INS）组合导航可以提供连续、高精度的位置、速度、姿态信息，被广泛应用于无人机的状态估计。其中滤波算法的构建是其组合关键。不同组合导航的模式会对导航定位结果产生相应的影响。针对直接法和间接法这2种常见的组合模式，分别构建了基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的全球定位系统/惯性导航系统（GPS/INS）松组合模式，并将其运用于不同飞行场景下无人机（UAV）的实时动态状态估计。仿真场景以及实际数据验证结果表明，间接法在精度和稳定性方面优于直接法，直接法在滤波计算速率方面优于间接法。因此，当系统具有较高的计算性能，且面向高精度的应用情况下可选择间接法作为无人机导航的技术方案；对于快速求解但精度要求不高的应用情况下，选择直接法作为无人机导航的技术方案可以在一定程度上降低系统的成本。      

基于特征值分解的小天体着陆自主导航系统可观度分析

摘要： 针对非线性导航系统中状态估计可观性与导航精度之间的关系，采用基于误差方差阵特征值分解的可观度分析方法，结合扩展卡尔曼滤波(EKF)算法对非线性预测滤波(NPF)算法进行改进，推导改进预测滤波的误差协方差矩阵，并对其进行特征值分解.分析特征值和特征向量与导航精度的关系，以小天体探测器着陆自主导航系统为例进行仿真验证，与EKF导航精度比较的基础上验证改进的NPF算法的有效性和精确性，并分析不同误差因素(模型误差，陀螺噪声，陆标误差)对可观度的影响，为航天器实际过程中自主导航系统的滤波器设计提供参考.     

自适应卡尔曼滤波器在陆地车辆导航中的应用

建立了车载GPS(Global Positioning System)/DR(Dead-Reckoning)组合导航系统自适应扩展卡尔曼滤波模型及其算法,从而大大提高了车辆导航系统的定位精度.首次提出依据PDOP(位置误差系数)等GPS定位系统的输出参数,自动调整观测噪声协方差阵[WTHX]R和系统噪声协方差阵Q[WT]的大小,从而自适应地调整组合导航系统模型性能的方法,使得模型具有较强的适应性.计算机仿真及实验结果表明应用该模型具有良好的效果.      

高超声速滑翔飞行器地形匹配辅助导航方法研究

高超声速滑翔飞行器滑翔飞行高度在30 km以上，大气极其稀薄，传统采用气压高度计的地形匹配辅助导航方式将无法正常工作。为实现高精度地形匹配，在分析匹配算法对地形常值误差不敏感的基础上，详细论证了基于惯性系统解算绝对高度方案，并对比分析了将短时滑翔段弹道简化为等高飞行方案。在捷联惯性导航系统（SINS）误差模型基础上，结合高度通道方块图，通过拉普拉斯变换，建立了惯性系统高度通道短时稳定性解析模型，并以CAV-H为研究对象建立数值仿真环境。仿真结果表明，解析模型精度较高，基于SINS解算绝对高度能够满足地形匹配辅助导航系统精度要求，优于气压高度计正常工作时的精度。      

Optical/radio/pulsars integrated navigation for Mars orbiter

In this paper, we address the issue of the integrated navigation algorithm with different combination of measurements for Mars orbiter. First, system dynamic model and navigation measurement models using optical measurement information, radio measurement information and X-ray pulsars measurement information are respectively established. Second, optical/radio/pulsars integrated navigation algorithm is proposed, and observability analysis of the integrated navigation system is also conducted. Third, adaptive extended Kalman filter is adopted to fuse measurement information and suppress measurement and process noise to optimally estimate the state of Mars orbiter. Monte Carlo simulation results show that optical/radio/pulsars integrated navigation can effectively improve the navigation accuracy and satisfy the navigation requirements of Mars orbiter.     

未知环境下移动机器人单目视觉导航算法

提出了一种未知环境下移动机器人单目视觉导航算法,算法包括障碍物检测、单目视觉测距和局部路径规划3部分.为减小光照等环境因素对基于特征的障碍物检测的影响,对彩色图像在HSI颜色空间中用基于像素的直方图比较进行分割,获取障碍物轮廓序列的图像坐标点集.在单目视觉测距中,通过几何关系推导法建立图像坐标系和机器人坐标系间的变换关系,进而实现由障碍物图像位置计算其与机器人间的实际距离.局部路径规划对摄像机梯形视场区域转换后的矩形区域建立模型划分栅格,由障碍物轮廓序列图像坐标和单目视觉测距计算构建障碍物栅格图,并用提出的栅格搜索算法搜索障碍物栅格图,得到机器人安全行驶路径.实际环境中进行的实验结果表明,算法能有效减小反光、阴影等的影响,在未知环境中正确规划出机器人局部可行路径实现导航.      

一种多传感器组合导航系统的改进异步融合算法

针对多传感器组合导航系统中各子导航传感器数据采样率不同且呈有理数倍的这一特殊问题，提出了一种组合导航系统的信息融合算法。首先将多传感器组合导航系统的原始状态方程变换成状态数据块向量与当前状态向量之间的关系，进而构成新的状态方程，而原始量测方程表达为与状态数据块向量之间的关系，进而构成新的量测方程。然后基于具有尺度与小波特性的矩阵算子，给出了改进异步融合算法的具体实现步骤。最后将该算法应用于CNS/GNSS/SINS/高度表多传感器组合导航系统。仿真结果表明，相对于传统算法，位置、速度和姿态精度可分别提高约20%、15%和10%，验证了本算法的高精度特性和可行性。