GPS测量飞行器轨道的数学原理以及轨道的自校准最佳估计

本文给出了利用转发 GPS 方案测量飞行器轨道的数学原理。对多卜勒频移与距离(距离和)变化率的严格时空关系、记录小增量与多卜勒增量间的转换,作了精细推导,可供事后数据处理使用;还给出了用基准接收机数据对转发数据作差分修正后的自校准模型及测量方程组;介绍了轨道最佳估算技术(EMBET)对飞行轨道参数、四个测量通道不同零值以及转发时延的解算方法;结合假想的运载火箭轨道作了精度估计,将动力段轨道分成三段,其估算结果为:σ_x≤0.7米、σ_y≤1.7米、σ_z≤0.7米、σ_x≤0.032米/秒、σ_y≤0.077米/秒、σ_z≤0.026米/秒,这与文[4]逐点估算方法的结果大体一致(测速精度稍差);最后,对只需多卜勒增量而不用伪距信息的无码求解飞行轨道问题,作了简要说明,使 EMBET 技术成为无码解算轨道的一种有效方法。     

综合采用GPS和地面雷达测量数据评估制导系统精度

仅用地面雷达跟踪数据评估制导系统的精度,其效果受客观条件限制。研究表明,把GPS(全球定位系统)作为外测资源在精度分析工作中加以利用,则效益显著。本文探讨综合利用GPS和地面雷达测量数据评估制导系统精度的问题。即对飞行试验的导弹,除了采用地面雷达进行跟踪测量外,还假设其装有弹载接收机。该高动态接收机通过弹载天线接收从四颗(以上)卫星发射的信号,该信号提供伪距和伪距变化率数据及广播星历资料。将这些外测数据(GPS数据和雷达数据)与遥测信息结合起来,选定合适的状态参数后,即可建立状态方程和观测方程。本文采用先进的估计技术(尤指U-D型卡尔曼滤波器)可分离出制导系统惯性器件等误差。由于把导弹的遥测速度和位置(修正了已知误差)转化成相应的外测数据并与之求差产生观测量,同时形成相应的测量矩阵。而U-D型卡尔曼滤波器又能将观矢量进行标量化处理,因此综合利用GPS数据和地面跟踪数据,实际上增大了观测矢量的阶数,从而提高了状态估计精度。当仅有其中一种测量手段时,该滤波器仍能正常运算。     

高动态连续波雷达测量接收机

本文介绍一种高动态测量接收机,它能跟踪高动态特性的飞行器,其载波环的某些功能部件用软件来实现,伪码的跟踪借助载波多卜勒辅助,且在半个码元宽度内就能完成码同步。多卜勒频率和载波相位的测量基于最大似然估计理论,径向距离的测量基于孙子定理。这种接收机结构简单、新颖,测量精度高,成本低廉,特别是能跟踪速度、加速度很大的飞行器,其性能可与最新颖的高动态GPS接收机相媲美。     

电离层对GPS相对大地测量的影响

本文分析了对 GPS 相对大地测量有重要影响的电离层误差特性。电离层误差、星历预报误差和对流层延迟误差是影响 GPS 测地精度的三个主要误差源。借助高精度数字式 GPS 接收机(如 T14100GPS 导航接收机),星历估计和预报技术在日益改善。现在正在研究精确的对流层延迟修正技术,例如使用便携式水汽辐射计测量大气中水汽含量对 GPS 信号延迟的影响。为了获得相应的 GPS 测地精度还必须重视电离层误差的修正。本文讨论了三维基线精度,它随电离层条件、电离层修正精度、基线间隔、定向和事后处理方法而变化,给出了使用 T14100GPS 导航接收机和德克萨斯仪器公司 Geomark 事后处理软件包的实际测量结果。     

射电干涉测量的动基应用

本文研究了与移动接收机有关的射电干涉测量误差源。结合已发表的数据,经独立研究给出了接收机噪声、时钟抖动、定时漂移、多路径误差、电离层和对流层折射效应引起的各种误差的均方根值。动基射电干涉测量系统仿真中,加进了有显著影响的统计误差模型,以评价接收机运动状态的测量精度。假设这个系统由两台配有原子钟的双频接收机组成。在记录的GPS信号相位的事后处理中,应用多普勒频移检测技术和互相关算法来确定基线距离和飞行器的运动参数。初步分析结果表明:动基射电干涉测量将提供与目前惯导技术同等的导航精度,甚至更高。     

几种电离层模型折射修正效果检验

航天工程任务对航天器外弹道测量数据的精度需求不断提高,电离层折射误差已成为影响航天高精度测量的主要误差源之一。目前国际上基于多种观测数据建立了多种电离层模型,由于模型使用的数据和算法不同而有不同的修正精度。通过分析国内外常用的Klobuchar(克罗布歇)模型、国际参考电离层模型和中国参考电离层模型的特点,利用3个电离层模型对S频段多颗在轨卫星50多跟踪圈次的实测外测数据进行修正,以星载GPS(Global Positioning System,全球定位系统)数据获取的精密星历经过坐标变换、测站与卫星的几何关系计算可得到测站到卫星的距离,将其作为标准值,采用微波辐射计修正对流层折射误差后对3个电离层模型的修正结果进行比较检验,结果表明中国参考电离层模型在中国区域的修正结果优于其他2个模型,可为航天测控实时修正提供参考。     

伪距解除相关法在GPS/SINS紧组合系统中的应用研究

介绍了伪距解除相关法的原理 ,设计了一种加权平均跟踪误差估计器 ,用以估计 GPS接收机码环跟踪误差。研究结果表明 ,与未对伪距测量值进行修正时相比 ,应用伪距解除相关技术可以减小组合系统的导航误差 ,提高系统的导航精度     

火箭喷焰引起的电离层扰动及其对主动段折射修正的影响

本文介绍了火箭喷焰引起的电离层扰动及其对主动段无线电测量数据折射修正的影响。针对某一高弹道及电离层电子含量(TEC)的测量结果,给出了电离层扰动状态下的距离误差及距离变化率折射误差的估算值。局部地区电离层的水平成层结构在喷焰的作用下会遭到破坏,使电离层折射修正复杂化。本文对这种扰动状态电离层进行折射修正提出了几种设想,并对各种修正方法适用性进行了初步分析。     

GPS精度控制措施对差分修正的影响

第二批新型GPS卫星能控制标准定位信号(C/A码)的精度,其方法是抖动卫星时钟和扰乱星历数据相结合。这种能力就称精度控制(可用性选择,SA)。差分GPS工作除了能为基准站周围的用户消除电离层、对流层和其它慢变化误差的影响,还能大大减小SA的影响。设计基准站的一项主要技术问题是修正值的更新速率。直到最近还认为要保证5-10米的定位精度,需要每10秒更新一次GPS差分修正值。最近第二批新型GPS卫星发射入轨,就没有把握说这一更新速率已足够。本文介绍了从第二批GPS卫星最近获得的数据进行统计分析的结果,特别是位置、速度变化和相关时间。将差分基准站设备接收这些信号得到的伪距修正值加到导航接收机的伪距上,得到修正值更新速率对差分GPS性能影响的估值。     

用于SAR运动补偿的DGPS/SINS组合系统研究

使用考虑位置误差相关项的伪距率观测模型 ,研究了用于合成孔径雷达运动补偿的差分 GPS/ SINS伪距率组合系统。结果表明 ,组合系统的长期位置精度能达到 1 m左右。 GPS数据更新率低于 INS,在 GPS测量时间间隔内 ,组合系统的性能仅由 INS决定。虽然 INS误差随时间积累 ,在 GPS数据更新率为 1 s的情况下 ,即使采用中等精度的惯性仪表 ,其相对位置精度为厘米级 (这里相对位置精度指组合系统在 GPS测量时间间隔内位置误差的变化范围)。     

三频GPS改正电离层折射误差高阶项的方法

在研究电离层折射对GPS测量的影响及电离层折射误差模型的基础上,采用电离层折射误差双频改正方法,针对GPS现代化和Galileo计划中增加的第三个民用导航频率,提出了运用三频观测值将电离层折射误差改正至二阶项的方法;并系统地推导了三频载波相位观测值无电离层折射组合方程,从而进一步提高了GPS的定位精度。     

TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小、重量轻、适用于低轨道航天器的GPS接收机。这项计划由国防预研规划局(DARPA)发起,空军菲利普斯实验室监督。这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成。这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术(TAOS)”卫星上。 这种接收机有六个通道,可连续跟踪四颗主用的GPS卫星,第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星。它可以完成伪距、连续载波、距离变化量的测量;用八态扩展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速度。洛克韦尔公司的这种接收机重8磅,使用28伏直流电源,功耗12瓦。本文将介绍该接收机的设计和验收测试,并给出利用“多通道星戴GPS仿真评估系统”(SEVS)得到的性能测试结果。该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L_1和L_2频段的射频信号,模拟低轨道航天器的信号环境。     

地基单站GPS探测大气折射环境

基于地基单站双频GPS接收机,提出了实时遥感探测大气折射环境（包括对流层折射率剖面与电离层电子密度剖面）的方法,并经过实验验证可行。在对流层方面,改进精密单点定位技术使得对流层低仰角斜延迟可以实时解算,然后利用相关向量机方法反演得到对流层折射率剖面;在电离层方面,采用Kalman滤波技术消除硬件延迟得到电离层TEC,基于IRI模型,利用遗传算法反演得到电离层电子密度剖面。此研究为大气折射环境的实时、高效、低成本探测提供了一种新手段。     

提高GPS单点定位精度的算法研究

简要分析了GPS伪距单点定位的误差以及多普勒观测值的误差,研究确定了利用多普勒观测值提高定位精度的可能性,建立了利用多普勒观测值来提高伪距单点定位精度的数学模型,并使用单纯形法对用户接收机的位置最优值进行搜索,从而给出有较高精度的定位数据。建立GPS仿真系统并进行了数值仿真,结果表明,该算法可以有效提高GPS单点定位精度。     

GPS导航系统用于H—Ⅱ轨道飞机

本文论述GPS导航系统应用于H-Ⅱ轨道飞机(HOPE)的情况。HOPE是一架将于90年代末发射的日本空间运输飞行器。准备用日本的下一代主要运载器H-Ⅱ火箭发射,完成各种轨道操作后自行返回地球。 GPS导航系统是HOPE在轨段、交会段、离轨段和进场段的安全导航重要部件。本文介绍了GPS接收机设计和轨道确定的研究结果,特别注意了伪距和伪距增量的预期波动、高动态忍耐性、首次定位时间(TTFF)、天线位置和导航性能等。将在轨道再入实验飞行器(OREX)上安装GPS接收机,预先验证该接收机的设计方案。OKEX将于1993年由第一发H-Ⅱ火箭发射。用OREX进行GPS实验的主要目的在于鉴定GPS导航系统在轨道运行和再入过程中的功能和特性,然后再将其安装在HOPE上。本文还描述了该实验的各个细节。     

载波相位平滑伪距在GPS/SINS紧组合导航系统中的应用

针对GPS/SINS紧组合导航系统中伪距噪声大从而引起组合导航系统精度低的问题,提出了将载波相位平滑伪距方法引入到组合导航系统中,利用具有较高精度的载波相位对低精度伪距进行平滑滤波,在建立观测方程的同时,为了减小Kalman滤波器计算量,选用最佳4颗卫星的伪距与伪距率作为观测值,并提出了一种四面体选星法,该方法不需要进行矩阵求逆运算,减小了运算量。利用光纤陀螺捷联惯导系统与GPS接收机搭建了实验验证系统,通过车载实验对所提出的方法进行了验证,实验结果表明,经过载波相位平滑后的伪距噪声得到了降低,从而能够进一步提高GPS/SINS组合导航系统的定位精度,其位置误差均方根值相比无载波相位平滑减小近40%。     

动态自适应GPS/INS组合导航方法

为了提高导航测量系统的精度,改善其可靠性,提出了一种动态自适应高精度GPS/INS组合导航的新形式。这种新形式通过判断GPS可见卫星数目,动态自适应调整组合导航方法,保证了组合导航结果的高精度。在RTK GPS可靠基线范围内,且可观测卫星数目大于等于4的情况下,利用RTK GPS的cm级的定位定速结果与INS进行松组合;而在因信号干扰或建筑物阻挡造成卫星失锁时,利用GPS伪距、伪距率与INS进行紧组合。通过仿真验证了方法的高精度,具有良好的应用前景。     

GPS确定(地表或空中)运动目标的精确电波折射修正

装载直收式GPS信号(C/A、L_1)接收机,可以确定地表或空中运动目标的位置和速度。为了改进测量精度,本文推导和研究了一套R_c、R_c的精确电波折射修正方法。它采用被测目标空域的实测大气折射参数进行修正,因而可提高修正的真实性和准确性。附录证明了R_c修正的几何意义。     

惯性卫星紧组合导航系统仿真分析

针对SINS/Satellites进行松组合的不足,直接利用卫星信号接收机原始测量信息(伪距、伪距率),实现紧组合,来提高组合导航系统的精度和抗干扰性。文中详细推导了紧组合导航系统的伪距、伪距率误差模型,以伪距、伪距率差作为输入进行反馈,不仅当可见星数目小于4颗的时候,可以进行反馈,保证了一定的导航精度,而且可以用INS提供导航信息辅助接收机快速捕获卫星信号,这就提高了组合导航系统的容错能力。设计了SINS卫星紧组合导航系统的Kalman滤波器,并进行仿真验证,结果表明,SINS卫星紧组合较松组合有明显优势。     

惯性卫星紧组合导航系统仿真分析

针对SINS/Satellites进行松组合的不足,直接利用卫星信号接收机原始测量信息(伪距、伪距率),实现紧组合,来提高组合导航系统的精度和抗干扰性。文中详细推导了紧组合导航系统的伪距、伪距率误差模型,以伪距、伪距率差作为输入进行反馈,不仅当可见星数目小于4颗的时候,可以进行反馈,保证了一定的导航精度,而且可以用INS提供导航信息辅助接收机快速捕获卫星信号,这就提高了组合导航系统的容错能力。设计了SINS卫星紧组合导航系统的Kalman滤波器,并进行仿真验证,结果表明,SINS卫星紧组合较松组合有明显优势。