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。     

利用GPS非差观测值的GRACE卫星精密定轨

参照GPS精密单点定位（PPP，Precise Point Positioning）模型设计了一种新的卫星定轨方法一组合星载加速度计测量数据和IGS提供的GPS精密星历及精密钟差数据进行低轨卫星的精密定轨。利用星载加速度计提高卫星受力模型准确性，使动力法定轨精度和可靠性都得到提升。同时，采用多种改正技术提高GPS非差观测值测量精度，保证最终高精度卫星定轨。本文建立了卫星定轨的轨道滤波模型，得出了有益的结论，即采用星载加速度计测量卫星非保守力可提高卫星定轨精度，在ITRF2000参考系下三轴精度优于18cm。这种方法不需要在全球建市基准观测站．定轨设备简单．费用低廉．     

DORIS系统自主在轨实时定轨的实现与精度分析

国家科技重大专项高分辨率空间对地观测项目的实施,对卫星平台的自主在轨实时定轨提出了新的需求。由法国发展的DORIS实时定轨系统虽已成功应用于多个对地观测平台,但该系统从未公布其原始数据和数据处理的技术细节,因此本文尝试利用DORIS地面主控站提供的ENVISAT标准格式多普勒数据,假设星上自主定轨时采用相同的数据,基于卡尔曼滤波算法实现（仿真）自主实时定轨。计算表明仅考虑简单的非球形引力模型,对于位置误差1km,速度误差1m/s的初始条件,2小时后滤波趋于稳定,滤波精度为十米量级,速度精度为厘米每秒级。为提高滤波计算效率,对坐标系统转换进行简化后,定轨精度仍在十米量级。基于DORIS仿真测量数据滤波计算表明,随着测量精度的提高和每圈观测弧段的增加,滤波计算的精度也会得到有效提高。     

低轨道卫星GPS精密定轨动力学方法的研究

结合低轨卫星简化动力学定轨算法,以及不同几何信息精度条件下的纯几何定轨和动力定轨精度比较,定量分析星载双频GPS实现精密定轨过程中的主要因素,得到星载GPS接收机性能设计所需的关键技术指标,为卫星精密定轨系统的顶层设计提供了科学合理的参考依据。     

利用TDRSS信息的单向多普勒测轨方法

介绍了利用跟踪中继卫星系统（TDRSS）信息的单向多普勒定轨技术。分析了单向多普勒测轨的基本原理和系统组成，采用扩展卡尔曼滤波（EKF）法，推导用于自主定轨算法的卫星轨道测量状态及观测方程。讨论了影响滤波精度的状态变量和动力学模型精度等多种误差源及其该方法能达到的测轨精度。     

Jason-2 DORIS/SLR精密定轨

Jason-2卫星搭载了第三代DORIS接收机DGXX,与前两代接收机相比,DGXX在时效性和数据量上都有显著提高。本文研究了DGXX接收机输出的相位观测数据与传统的Doppler数据之间的转换,并通过内符精度比较、轨道重叠检验、独立轨道比较及卫星激光测距(SLR)检验分析了DORIS数据独立定轨和SLR+DORIS数据联合定轨精度及SLR在联合定轨中的贡献。另外,考虑到部分DORIS地面信标站气象数据可能不够精确或缺失会影响DORIS数据中对流层延迟模型改正精度,本文通过和实测气象数据比较分析了最新的气象参数模型GPT在DORIS定轨中的应用及其对定轨精度的影响。计算结果表明:GPT模型和DORIS地面信标站实测气象数据的定轨精度相当,在无实测气象数据情况下可利用GPT模型替代;DORIS数据独立定轨和SLR+DORIS联合定轨径向均能达到1cm精度,SLR+DORIS联合定轨精度略优于DORIS独立定轨精度,联合定轨中SLR的主要贡献是能降低解算参数中的湿天顶延迟和DORIS频率漂移的相关性、保持轨道精度的长期稳定性。     

HY-2卫星DORIS厘米级精密定轨

"海洋二号"(HY-2)卫星搭载了新一代DORIS接收机,可提供双频相位和伪距测量数据。针对HY-2卫星的RINEX 3.0格式的相位测量数据,研究了一种区别于传统相位观测数据处理的历元间差分处理方法,将相位观测数据转换为距离变化率观测数据,并进行相关误差修正,建立了HY-2卫星的宏表面力和经验力等摄动模型,基于动力学定轨原理实现了基于DORIS相位观测数据的精密定轨。利用HY-2卫星的DORIS实测数据进行定轨,初步计算结果表明,径向轨道误差优于2cm、三维位置误差约10cm,满足HY-2卫星应用的厘米级轨道精度需求。     

利用星载加速度计及星敏感器进行卫星定轨的新方法

介绍一种卫星自主定轨的新方法采用组合星载加速度计和星敏感器的方法测量卫星非保守力进行星上自主定轨.介绍了该方法用于卫星定轨的原理该方法利用星载加速度计测量载体坐标系下表示的卫星非保守力,然后利用星敏感器测量的姿态数据进行坐标转换,最后利用数值积分方法进行轨道确定.利用实际卫星飞行数据进行了验证.结果表明该方法用于卫星自主定轨是可行的,而且可以不依赖任何外部系统实现较高精度的星上自主定轨.该方法与传统的纯动力学法比较,计算简单,定轨精度高,定轨结果稳定,克服了传统定轨方法随时间发散的缺点.     

一种提高导航卫星星座自主定轨精度的方法研究

针对近地导航卫星仅利用星间测距进行自主定轨时,因无法消除星座整体旋转误差而导致长期自主定轨精度不高的问题,提出了利用拉格朗日导航卫星星座与近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的方法。建立了拉格朗日轨道导航卫星星座和近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的动力学模型和观测模型。利用扩展Kalman滤波（EKF）算法和星间测距信息实现了拉格朗日轨道导航星座与近地导航星座的长期自主定轨。以4颗拉格朗日卫星组成的导航星座与12颗GPS卫星组成的近地导航星座作为仿真对象进行了仿真分析,仿真结果表明本文仅利用星间测距的联合自主定轨方法可以有效提高导航卫星星座的长期自主定轨精度。
     

一种新的亚米级星载GPS伪距实时定轨方法

提出了一种新的星载GPS实时定轨方法,该方法以伪距作为主要观测值,通过在卡尔曼滤波模型中设置参数来吸收广播星历中的轨道误差与钟误差,从而实现亚米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件SATODS对GRACE-A卫星的实测数据模拟实时处理,结果表明:采用本文方法后,实时定轨的位置精度和速度精度(3DRMS)分别可达0.4~0.6 m与0.4~0.6 mm/s;相比于传统的伪距实时定轨精度可提高40%。     

近地卫星星历的高精度星载算法研究

随着星载计算机系统结构和性能的改善,利用星载计算机实现高精度的星历计算成为可能。本文针对近地轨道卫星提出了一种适合星上轨道预报的数值算法。通过采用简化的动力学模型和一种嵌套插值算法的积分器,有效提高了计算效率,降低了对星载计算系统的性能要求,从而实现高精度的卫星星历星载计算。该算法在星载计算机系统平台上进行仿真验证的结果表明,对于某飞行器可实现轨道预报1天优于1km的星历计算。     

北斗系统地固系自主定轨算法

为避免传统惯性系自主定轨算法中的多次坐标转换，针对地固系分布式自主定轨算法原理及其中的关键技术开展研究。给出在地固系中进行自主星历生成的总体框图，推导了地固系自主定轨算法的基本方程，提出一种新的以地固系位置速度为状态量的状态转移矩阵解析计算方法并分析其计算量，证明了地固系自主定轨算法可以进一步降低定轨算法复杂度，且无需上注地球定向参数进行坐标转换。使用仿真数据和真实在轨测量数据的测试结果表明，提出的地固系分布式自主定轨算法与传统算法定轨精度相当，说明了所提算法的可行性，验证了星载自主定轨原型软件的有效性。     

基于DSP的中断冲突避免机制的研究与实现*

针对基于DSP芯片TMS320C6701的嵌入式软件系统设计过程中常见的中断冲突问题,提出相应的解决方法和简单有效的避免机制。通过将周期性中断改为主循环查询模式、将DSP系统计时由定时器中断改为FPGA同步计时等方式,使系统中多个中断设计简化为一个中断,避免中断间的冲突。针对中断和主程序间的访问冲突,通过在主程序中关中断等方式,避免共享资源访问冲突。针对DSP系统和外部总线的访问冲突,通过约定接口的通信协议,避免时序冲突。通过静态分析和动态长周期测试验证,方法有效避免了中断冲突,实现简单;针对不同冲突机制,措施灵活。设计已应用于星载相关设备,也可推广至其他嵌入式软件系统使用。     

基于1553B总线的星载嵌入式软件在轨升级方法

针对星载嵌入式软件在轨升级难的问题,提出了基于1553B总线的星载嵌入式软件在轨(线)升级方法.通过1553B总线接收升级程序、固化程序和升级程序分区独立存储、启动程序和应用程序互相配合的方式,实现软件升级、部分传输异常时补丁升级及升级异常情况下的版本回退.在某星载固态存储设备上对方法进行了试验验证,结果表明,方法可对...     

GPS based onboard and onground orbit operations for small satellites

In extension to common applications such as groundtrack displays and antenna steering, the SGP4 orbit model is proposed for operational orbit determination in small satellite missions. SGP4 is an analytical orbit model for Low-Earth orbiting satellites that is widely used for the propagation of NORAD twoline elements. Twoline elements may hence be generated completely independent of NORAD. Their use as exclusive source of orbital information simplifies the operations concept and reduces mission costs through the extensive use of existing low-cost mission support software. Due to small computer resource requirements of 8–10kByte, the SGP4 model may also be applied for onboard orbit computations making use of e.g. a 80186 processor, thus ensuring full compatibility of ground-based and onboard operations. The proposed approach is particularly suited in combination with a space-borne GPS receiver, were the C/A-code navigation solutions are treated as measurements that are adjusted in a least-squares sense using the SGP4 model. As consequence, inherent drawbacks of the pure navigation solutions such as data gaps and scatter as well as limited velocity accuracy are avoided, while the operational navigation activities are kept at a minimum. The feasibility of the concept is illustrated based on real GPS navigation data from the TOPEX/Poseidon and the MIR space station with an inherent data quality of 50–100 m. It is shown that 3 hours of data within a 4 day period are sufficient to keep the position error within 4 km, that is considered sufficient for most applications.     

基于伪随机脉冲估计的简化动力学卫星定轨方法

采用简化动力学模型和星载GPS非差观测值,通过在确定性卫星运动方程中引入伪随机脉冲参数,将确定性参数和伪随机脉冲参数一起估计,对CHAMP卫星进行精密定轨.定轨软件采用自行研制的CASMORD精密定轨软件,定轨结果与GFZ事后定轨结果以及SLR结果进行了比较与分析.结果表明,采用简化动力学方法对CHAMP卫星定轨,在X、Y、Z三个方向的均方根误差(RMS)基本一致,轨道位置精度优于10cm,与SLR比较,测距精度优于5cm,定轨结果可靠,验证了算法的可行性和软件的定轨精度.     

基于星历拟合的短弧运动学定轨

当导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,传统的统计定轨理论难以实现精密定轨。首次提出 了基于10参数星历拟合的短弧运动学定轨方法,建立和推导了相应的理论模型和定轨解算方 法。其优点在于不仅能够反映卫星运动的物理学特征,提高了速度和轨道预报精度,而且不 需要累积数据,实现近实时快速计算,克服了动力学法定轨发散和单点定位无法获得速度信 息的不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10分钟短弧运动学定轨的位置精 度优于10 m,速度精度为2 cm／s,预报5分钟轨道精度为15.02 m,满足了短弧跟踪条件下R DSS对轨道精度的要求,实现了卫星精密定轨。