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.     

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。
     

北斗2导航卫星星间测距与时间同步技术

针对北斗2导航卫星之间通过星间链路进行距离测量和时间同步以实现星座自主导航功能,提出了一种动态环境下基于伪码高精度距离测量和时间同步技术.它根据狭义相对论中光速不变基本原理,扩展了静态环境下双向测距和时间同步(Two-Way Ranging and Time Transmit,TWRTT)技术,使之适用于北斗2导航卫星这样的动态环境之下.理论、仿真以及工程可实现性分析表明:利用该技术,北斗2导航卫星星间测距精度可达厘米级,时间同步精度优于1ns.     

北斗全球系统自主导航地面模拟测试系统设计与实现

针对北斗高精度自主导航性能指标的测试验证,设计了支持北斗全球系统星座的自主导航地面模拟测试系统。利用标准航天器链路通信终端接入星载自主导航计算机,实现以远程仿真测试服务器为核心的模拟测试系统架构,从通信机制、时间同步策略、结果评估方法等方面阐述系统设计原理。工程实践结果表明:文章设计的自主导航地面模拟测试系统,支持在模拟建链场景及误差源的条件下对卫星自主导航进行"跑合"验证,可应用于北斗全球组网卫星设计、测试及在轨运行阶段。其设计方法对其它卫星自主智能任务的测试系统构建亦具有借鉴意义。     

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。     

导航卫星系统自主导航技术及其发展趋势

在战争状态下,由于导航卫星系统地面测控部分的地理位置固定,很容易遭到袭击和干扰。导航卫星系统自主导航是指导航卫星系统通过本身的测量获得信息,并对存储的导航数据进行修正和更新,能够在一定时间段内按照精度和功能要求利用自主导航算法实现系统的自主运行。     

导航星座自主时间基准的相对论效应

从相对论框架下导航星座自主时间基准定义及其生成原理出发,对其实现要素进行了相对论分析及改正,包括卫星原子钟和星间链路测量量相对论效应,并以GPS、BDS为例计算说明。得出以下结论:1)卫星钟相对论常值由地面频率调整实现预修正,周期累积钟差则根据卫星星历实现实时计算和改正;在此基础上,2)星间链路伪距测量相对论效应主要是星间信号传播相对论效应,对中高轨卫星其最大影响为cm量级;3)星间链路多普勒测量相对论效应则是由卫星钟周期项频率变化引起,对小偏心率中高轨卫星而言,其对星间径向相对速度最大影响量在1 cm/s左右。分析结果有助于提高导航星座自主时间基准的准确度,并对深空测量和天基时间基准研究具有一定参考意义。     

星座时频测量技术研究

在卫星导航定位、天基无源定位等航天器系统构建中,需要星座具有统一的时间频率 系统,即卫星间实现时间与频率同步。在分析系统对星间时间与频率同步需求的基础上 ,提出了在星间建立双向单程测距链路,利用伪码测量获取的星间伪距、载波测相获取的星 间伪距变化率联合处理出时差、频差的算法,克服了一般双向比对方法中需要不断调整星间 时差的不足,工程实现星间时差测量标准不确定度可优于1 ns,星间基准频差测量标准不确 定度可优于1×10 -11 。
     

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。     

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。     

基于姿态敏感器的地球同步轨道卫星自主导航研究

本文提出了一种基于姿态敏感器的地球同步轨道卫星自主导航方法,作为解决未来高轨道卫星自主运行的先决条件。在整个系统中,以包含摄动项的HILL 方程作为状态方程,根据由姿态敏感器给出的卫星本体相对于地球和另外两个空间天体的方位,推导出测量方程,进而用简化的推广 Kalman 滤波算法进行状态估计。仿真表明,该方法收敛速度快,精度较高,是一种可行的地球同步轨道卫星自主导航方法。     

亚太区域导航八星星座分析

提出了一个由八颗同地迹有一定倾角的地球同步圆形轨道(IGSO)卫星组成的区域导航星座方案。分别从星座的几何特性、卫星、用户终端三个角度对该星座进行了分析。对比大椭圆轨道方案、近圆地迹轨道方案,认为IGSO方案是我国区域导航比较有利的方案。     

时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法

针对时变拓扑卫星集群的相对导航需求，提出了基于图论的时变拓扑分布式一致性无迹卡尔曼滤波算法。首先给出了固定拓扑卫星集群的相对运动方程、测角测距测量模型和无迹卡尔曼滤波算法，然后考虑测角失效时相对导航系统不可观或弱可观的问题，结合矢量环一致性约束，构造了一致性无迹卡尔曼滤波算法，以提高系统的可观度；在此基础上，针对时变拓扑卫星集群，以滤波精度为优化指标，在图论的基础上利用Dijkstra算法对卫星集群的时变拓扑结构进行重构，并将重构后的拓扑结构应用于卫星集群相对导航。仿真结果表明所提算法能有效改善不完备测量带来的模糊轨道问题，并且能够实现实时的拓扑重构，以满足时变拓扑星群的相对导航精度要求。     

北斗/罗兰C组合导航非线性滤波算法研究

北斗/罗兰C组合可以实现无源三维导航定位.建立了组合导航系统状态方程和量测方程,针对量测方程为非线性的情况,分别应用扩展卡尔曼滤波(EKF)和Unscented卡尔曼滤波(UKF),设计了滤波算法,仿真结果表明,采用UKF方法比EKF方法能改善定位效果,该方法已经成功应用在工程实践中.     

基于Unscented滤波的伴飞卫星自主相对导航滤波器

为提高导航滤波器的稳定性和计算精度,根据卫星自主导航原理,构造了基于Unscented Kalman滤波（UKF）的伴飞卫星自主相对导航滤波器,建立了算法模型。仿真结果表明：UKF的滤波精度优于扩展Kalman滤波（EKF）,且无需计算量测方程的Jacobi矩阵,计算量小、易于实现。     

基于GNSS的通信星座系统的时间同步研究

为近地通信卫星星座系统提出一个将星座各星上时钟同步到地面系统时钟的新技术方案,以GNSS导航系统时钟作为高精度、高稳定的时间基准,利用地面站和星座星上的GNSS接收机基于定位原理测得各自时钟相对于GNSS系统时钟的时差量（秒脉冲相位差）,进一步得出各星时钟相对于地面系统时钟的时差观测量。每个星上时间管理单元利用一个Kalman滤波器估计星地时差模型参数,周期性更新星上时差预报,并据此估计秒脉冲调相时机,以及按照最小调相残差原则估算的调相幅值,并令PPS发生器完成相关调相操作。还设计了上述时统方案在一个典型Walker（24/3/1）星座中的应用研究,并开展了数学仿真和半物理仿真。文章还设计了一个半实物仿真方案,通过数学仿真和半物理仿真,表明该时统方法可将星地秒脉冲相位差自动控制在指定误差范围内,证实其在近地通信卫星星座系统全网时间同步任务中应用的可能性和有效性。