星地动态双向时间同步与测距算法

针对卫星运动对星地距离和钟差测量的不利影响,提出一种基于最小二乘拟合的星地动态双向时间同步与测距算法。在建立星地可视模型基础上,仿真了MEO运动卫星与地面时间同步站之间星地距离的变化规律,分析了卫星运动对星地双向时间同步与测距的主要不利影响。该算法首先利用星地双向时间同步数据分别生成星地距离和钟差拟合多项式,然后联合求解出运动卫星误差最小的星地距离与钟差。实验结果表明了该算法的合理性和科学性,在包含仿真误差的条件下,其时间同步精度优于3ns,测距精度优于3m。将其应用到各种空天应用系统的星地时间同步与测距中,可以消除卫星运动对双向时间同步与测距的不利影响,提高时间同步与测距精度。     

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。     

应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理验证方法

为了验证地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)的成像机理,采用倾斜地球同步轨道(IGSO)北斗导航卫星作为照射源,通过地面接收北斗导航卫星信号和地面反射的回波信号,实现对GEO SAR成像机理的等效性验证。北斗导航卫星具有与GEO SAR卫星相似的轨道,地面接收的信号可以等效成单程传播的GEO SAR回波信号;成像处理采用与GEO SAR相同的合成孔径时间,在合成孔径时间内地面反射的北斗导航卫星信号具有与单程传播的GEO SAR回波信号相似的距离徙动特性和多普勒特性,可实现长合成孔径时间条件下GEO SAR成像机理的验证。通过双基地试验实现了应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理的等效性验证。     

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。     

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。     

我国卫星导航系统相关技术发展分析

卫星导航系统应用广泛,有利于促进国民经济的快速发展。本文在介绍国内卫星导航系统及其国内市场状况基础上,结合北斗卫星导航相关产业发展趋势,从组合导航、增强系统、时钟同步和定向解算等方面分析了北斗卫星导航系统的技术成果,并讨论了有助于提高北斗卫星导航系统精度的相关辅助技术的发展情况。最后结合我国国情和国内卫星导航系统相关技术特点,给出我国第二代卫星导航定位系统发展的若干建议。     

伪码辅助载波星间自主测距技术

提出了一种存在弱相对运动的卫星之间基于载波高精度自主相对测距技术,它借助伪码测距技术所得到的粗测距离和cm级测距精度选择载波频率,消除了载波测距中存在的整周模糊度问题,避开了复杂的整周模糊度求解算法;借助伪码高精度时间差测量技术,使不同卫星上面伪码和载波相位观测时间之差的测量精度(标准偏差)优于0.1 ns,并使得星间钟差可忽略不计。最终测距3σ精度有基于伪码的cm级提高到了mm级。文中不仅分析了相对静止时卫星间的距离测量精度,而且分析了存在弱相对运动(相对运动速度不大于10 m／s)时卫星间距离测量精度。理论分析和工程可实现性分析都表明：该技术切实可行且易于实现。     

基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航研究

针对单纯差分GPS系统在精度、连续性、实时性方面存在的问题,提出了一种星间测距增强差分GPS的卫星编队组合相对导航方案。该组合相对导航系统由编队卫星中分别安装的GPS接收机、星间RF测量传感器,以及主星中运行的导航处理器组成,其中星间RF测量传感器集成了窄带通信功能,可在进行星间距离测量的同时同步进行GPS数据的互传。采用扩展Kalman滤波算法,结合简化动力学模型和GPS以及RF测量数据实现卫星编队的相对位置与速度的高精度实时递推解算。用模拟器采集数据进行了仿真验证,结果表明:在星间测距数据辅助下,星间基线长度在星间测距工作的30km范围内时,实时相对导航精度优于1mm;系统在GPS信号中断时仍可连续输出满足精度要求的相对位置、速度数据;系统初始化时间由单纯差分GPS相对导航系统的几十个历元降低到单点。     

星地双向时间比对技术中伪距及其时刻的处理方法

导航卫星的星地时间同步技术是导航卫星的核心技术之一。文章在论述GPS时间同步的基础上,讨论了星地同步的各种方法;重点论述建立在星地双向比对基础上的时间同步技术,对其重点进行论述;并根据实际需要建立了比较理想的星地测距模型,并给出各种模型下卫星和地面伪距值及其时刻的获取方法;讨论了不同模型之间的差异,并给出不同模型的使用建议及结论。     

应用网络时间协议的卫星综合测试时间同步系统

针对广域网环境下卫星综合测试系统存在的测试设备之间时间不同步问题,提出应用网络时间协议(NTP)构建卫星综合测试时间同步系统。该系统以NTP作为时间同步协议,以GPS或"北斗"导航设备终端作为高精度时间源,以用户数据包协议(UDP)组播形式实现同网段内各测试设备之间的时间同步,以uDP客户机/服务器形式实现跨网段测试设备之间的时间同步。文章提出的时间同步系统,可解决广域网卫星综合测试系统时间不同步问题,也能满足综合测试系统对时间精度的要求。     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。     

基于北斗Ka星间链路的地面用户导航方法

针对导航系统L频段信号易受到有意或无意的干扰和欺骗，而导致地面区域性导航服务性能下降甚至失效的问题，提出了一种利用北斗Ka星间链路信号为地面用户提供导航服务的方法。首先，对该方法的可行性进行了研究，并给出了星间链路时分体制下的用户测距模型;然后，提出了基于时钟模型和惯导信息的测距值历元归算方法，并推导了基于北斗星间链路测距值的地面用户实时定位算法;最后，通过数值仿真分析了不同因素对算法性能的影响。仿真结果表明，该方法定位精度可达2.0 m以内，能够在一定程度上弥补L频段导航信号区域性失效带来的缺失。     

一种导航星座星间链路拓扑设计方法

利用星间测距和通信实现卫星自主导航是下一代导航星座的发展方向之一.为了确定星间测距和通信链路的网络拓扑结构,对walker24/3/2星座的卫星之间几何可见性、卫星天线之间的可见性进行了研究,给出了可见性判断条件,并针对三条轨道相互垂直的情况,推导了星间几何距离随时间变化的公式.对天线扫描区域为±60°对地圆锥的情况进...     

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。     

激光星间链路终端指向误差标定中的误差分离研究

针对激光星间链路终端指向误差在轨标定中航天器姿态测量误差影响标定结果的问题，本文提出了基于多链路测量的航天器姿态测量误差分离方法。该方法利用了导航星座中同一航天器同时建立多条链路的特点，获取不同方向的LCT指向误差测量数据。通过同时估计航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差参数，实现了航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差的分离。仿真结果表明：航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果有显著影响，利用本方法进行误差分离后，LCT指向误差标定结果最大偏差由分离前的64.9 μrad下降到误差分离(6条链路)后的21.1 μrad，有效降低了航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果的影响。该方法的有效性取决于链路条数和链路拓扑构型。     

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。     

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.     

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。