导航星座的自主定位与守时研究

星座自主导航技术能有效地提高导航星座的自主导航能力和星历精度,增强系统的生存能力。分析了基于星间测距信息的星座自主导航方法,推导了星间测距信息的位置与时间的解耦模型与条件,提出首先进行位置更新,然后进行时间更新的解算流程。根据状态方程与量测方程的特点,推导了适合导航星座自主导航解算的分布式卡尔曼滤波算法。并给出了关键的仿真技术。仿真表明：通过双向测距信息,能有效地实现导航星座的自主定位,保持星间高精度的时间同步。
     

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。
     

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。     

导航星座自主星历更新技术

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精确确定和轨道短时预报两个方面的内容.相比之下,卫星轨道短时外推预报容易实现.因而,本文在系统地论述导航星座自主导航信息处理流程的基础上,重点提出一整套由星间双向伪距和测量方程、卫星受摄轨道系统状态方程、以及协方差匹配自适应Kalman滤波组成的卫星自主轨道确定算法.仿真结果表明：利用星载Kalman滤波器处理星间双向测量数据,卫星自主轨道确定精度和用户测距精度可以分别达到5.40m、1.86m,能够满足用户高精度导航应用需求.初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性.     

基于星间测量的异构星座自主导航方法研究

随着星座逐渐向多功能、大型化方向发展,异构星座成为研究的热点.为了解决卫星数目较多,地面设备进行定位和测控难度较大的问题,研究了基于星间测量的异构星座的自主导航方法,该方法充分利用星座中卫星的相对运动规律构成的约束条件,利用有条件的参数加权平差方法,解决星间测距网的基准秩亏问题,并针对异构星座中卫星的位置分布和初始精度的不同,进行分组观测,采用分组平差方法进行定位解算.仿真结果表明该方法能够有效的降低定位解算的时间,并通过合理的约束,提高定位的精度.     

星座自主导航系统设计与实现

基于星间测量的星座自主导航系统的设计与实现，方案中针对计算量过大问题，引入分组并行机制。在充分分析卫星轨道动力学的基础上，利用卫星网的网形约束进行整网平差，首次提出动力学和几何法相结合的自主导航算法。通过实际GPS数据进行仿真与检验，仿真结果表明：该方法精度高，满足卫星星座自主生存的要求，设计方案可行。     

导航星座自主导航的时间同步技术

导航星座自主导航能够有效地减少地面测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低系统维持费用,实时监测导航信息的完好性,增强系统的生存能力。卫星时间同步是实现导航星座自主导航的关键技术之一,而星载原子时钟的频率稳定性能直接影响着卫星时间同步精度。本文基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程。从而,可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明:通过滤波处理星间双向测距数据,不断地更新卫星时钟参数,能够实现星座卫星自主高精度时间同步。     

导航星座的任务重构技术研究

以COMPASS卫星导航星座为对象,研究了导航任务的重构技术。首先,对COMPASS卫星导航星座的主要性能进行了分析和仿真;其次,分析了星座中部分卫星失效后对导航性能的影响;最后,提出了分别利用在轨运行的高、中、低轨卫星及临近空间飞行器进行任务重构的方法,并对重构后的导航性能进行了仿真。仿真结果表明：提出的任务重构方法对于保证导航星座的正常运行是有效的。同时,对于研究飞行器应急测控技术具有借鉴意义。     

星座导航与控制分布式仿真系统设计

基于HLA/RTI和STK,设计了卫星星座导航与控制分布式仿真系统.仿真系统中每颗卫星均由单独的计算机模拟,可真实地反映星座的运行情况,更好地模拟星间链路;卫星轨道精确外推、星间链路优化、基于基准星和星间距离测量的分布式导航以及基于相对轨道根数的星座绝对站位保持等关键技术也融入到系统中;仿真系统还具有直观的二维、三维场景和曲线动态可视化演示功能.结合具体的WaIker星座实例,仿真星座稳定运行180天,系统运行结果表明所设计的仿真系统及采用的关键技术能够满足仿真与评估的需求.另外,在一定程度上该仿真系统还支持其它卫星星座的仿真与评估.     

导航卫星星载自主轨道预报技术

全球导航星座自主导航技术对卫星自主轨道预报精度和计算速度提出了新的高要求,结合地面长期轨道预报精度现状和星载计算机性能,提出一种基于地面上注长期电文的卫星自主轨道预报技术。该技术的主要特点有二:首先,充分利用地面上注电文的高精度和高凝练度,可兼顾参考星历的高精度和节省星上存储资源;其次,选用状态转移的星上分析解算法,与地面上行注入、星上存储的方式相比,可大大节约星地上行数据量、星上数据存储量和计算量。通过仿真试验对计算资源、存储资源消耗和预报精度作了统计分析,结果表明,采用该技术进行星上自主轨道预报,计算资源占用少、计算速度快、预报精度高,该技术对于导航星座自主导航总体技术有着重要应用价值。     

利用雷达高度计及星敏感器的多处理器卫星导航

鉴于当前单一处理器导航计算机结构给导航算法带来的约束及并行多处理器技术的日益成熟，提议卫星导航采用两个处理器并行的计算机结构，将卫星自主导航工作中轨道状态估计和状态预报分外在不同的处理器上处理。依据这一分工思路，提出近地海洋卫星利用雷达高度计及星敏感器实现自主导航的方法，并给出一个简单的导航模型及导航算法。通过计算机仿真检验了利用雷达高度计及星敏感器为近地海洋卫星提供导航的可行性，也验证了导航结构的适用性。     

利用雷达高度计及星敏感器的多处理器卫星导航

鉴于当前单一处理器导航计算机结构给导航算法带来的约束及并行多处理器技术的日益成熟,提议卫星导航采用两个处理器并行的计算机结构,将卫星自主导航工作中轨道状态估计和状态预报分开在不同的处理器上处理.依据这一分工思路,提出近地海洋卫星利用雷达高度计及星敏感器实现自主导航的方法,并给出一个简单的导航模型及导航算法.通过计算机仿真检验了利用雷达高度计及星敏感器为近地海洋卫星提供导航的可行性,也验证了导航结构的适用性.     

末制导雷达/惯性复合导航算法

研究了末制导雷达/惯导的复合导航算法,当导弹攻击慢速移动目标时,可以根据惯导输出和雷达信息,采用Calson滤波算法估计出目标的位置信息和惯导误差,从而修正目标运动和惯导误差。仿真表明,Calson滤波算法能较好地提高制导精度。     

基于弹载捷联惯性导航系统精确导航的双欧拉全姿态方法

垂直发射的地空导弹在大机动飞行时,其四元数法姿态角输出存在奇异性。为解决该问题,提出了正、反欧拉角微分方程切换的双欧拉全姿态解算方法。对正、反欧拉角微分方程进行了详细推导,论述了正、反欧拉角微分方程精华区与奇异区的倒置关系。在此基础上,建立了正、反欧拉角的转换公式。根据正欧拉角的俯仰角对正、反欧拉角无缝切换,有效解决了俯仰角在±90°附近时姿态奇异性问题。仿真和半物理试验的结果表明:双欧拉全姿态算法解算的实际姿态与理论姿态保持一致,在奇异点附近的姿态角仍能正常输出,未出现突变现象,该方法得出的导航精度比四元数法得出的导航精度提高了9.81%。     

基于紫外敏感器的卫星自主导航方法研究

研究了卫星利用CCD紫外敏感器进行自主轨道确定的方法。敏感器通过地球紫外图像提供地心方向矢量及姿态误差信息进而确定卫星轨道。采用Unscented卡尔曼滤波算法,对紫外敏感器测量精度、姿态误差、部分轨道参数以及地球模型对导航精度的影响进行了仿真验证。仿真结果表明本方法具有较高的定轨精度,其导航误差主要取决于紫外敏感器测量精度和卫星姿态误差。     

基于MEP-UKF的组合导航滤波算法

针对目前应用于SINS／GPS组合导航系统中的扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman
Filter, EKF)存在精度低、实时性差的缺点,提出一种基于模型误差预测(Model Error
Prediction, MEP)的Unscented 卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,
UKF)。MEP-UKF滤波算法将惯性器件测量误差作为模型误差使用MEP进行实时预测的同时,采 用UKF估计载体的姿态、速度及位置等误差信息,并反馈给SINS系统来校正导航参数。MEP-U KF不仅克服了UKF必须假设惯性器件误差为高斯白噪声的局限性,而且降低了SINS／GPS组合 导航系统状态变量的维数,大大缩短了导航解算的时间。仿真结果表明,MEP-UKF的收敛速 度和滤波精度均明显优于EKF,更好地满足了工程应用中对导航精度和实时性的要求。     

可视化智能融合导航系统研究

以提高导航系统的精度、可靠性、智能化和可视化程度为目标，利用智能工程的思想与方法将信息融合、人工智能和可视化技术综合应用于多传感器组合导航系统中，提出了面向２１世纪控制与导航技术的新一代导航系统概念——可视化智能融合导航系统，并对其功能、组成及关键技术进行了研究。     

导航信号生成互复用技术研究

随着GNSS(全球导航卫星系统)的发展,需要在一个频段上发射多路导航信号,以提高频谱利用率.多路信号的线性叠加其包络是非恒定的,在通过高功率放大器时会产生AM/PM失真,从而引入定位误差.为了使多路复用后的信号保持包络的恒定,伽利略和GPS系统分别提出了互复用和CASM恒包络处理方法,并已经应用在其试验卫星上.对互复用技术进行了分析研究,得出了信号功率效率与功率分配之间的关系,并给出了功率效率最大化的功率配置方式和功率效率的下限.研究对GNSS中多路信号复用的恒包络处理有重要的指导意义.     

基于AE-UKF的航天器自主导航方法

针对自主导航过程中不确定的测量噪声和干扰的影响,提出了一种具有自适应能力的状态估计方法AE\|UKF方法。该方法通过对非线性的状态方程进行Unscented变换,对非线性的测量方程求取雅可比矩阵,同时在滤波迭代过程中引入自适应因子,使滤波器具有自适应能力。将AE\|UKF方法应用于自主导航系统导航信息的估计过程中,仿真结果表明：AE\|UKF方法在达到UKF方法精度的同时,能够克服自主导航过程中不确定的噪声和随机干扰的影响。     

地形辅助导航匹配误差研究

地形辅助导航系统中最重要、研究也最深入的部分就是匹配算法,除了算法本身构建 之外,匹配精度与应用条件之间的关系也是算法研究的重要内容。以TERCOM算法为研究 对象,将研究地形特征、地图分辨率、初始误差、惯性导航系统精度、载体运行速度和匹配 序列长度等因素对匹配精度的影响,为匹配算法的工程应用提供理论基础。