导航星座的自主导航技术--卫星自主时间同步

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：通过对星间双向测量数据的滤波处理,能够实现星座卫星时间精密同步。     

Android智能手机双频GNSS伪距差分动态定位性能分析

随着智能手机全球导航卫星系统(GNSS)天线和芯片从单频单模向多频多模快速发展,基于其所衍生出来的位置服务(LBS)应用极大地便利了大众用户的日常生活.然而受限于低成本、低功耗的信号接收与处理单元,手机在无增强信息的情况下仅依赖伪距单点定位难以为用户提供稳定、高精度的导航服务.因此,基于小米8手机(Mi8)的GNSS双频原始数据,采用非组合的双频伪距观测值、载波历元差分观测值和多普勒观测值构建了滤波定位模型,并引入伪距差分数据,以提升手机定位的连续性和精度.在较复杂环境下开展了行人和车载实验,实测结果表明:双频定位精度与单频相比提升了15％～30％,伪距差分定位精度和单点定位相比提升了5％～20％,行人和车载双频伪距差分定位的平面位置误差分别为0.65m和1.03m,基本满足手机用户在城市复杂环境下的高精度定位服务需求.     

基于改进UKF的组合导航系统航向角估计方法研究

为满足运载体长航时、高精度的导航需求,解决系统可观测性弱导致的航向角易发散的问题,提出了一种基于MEMS非线性组合导航系统的用于提高航向角估计精度的算法。通过采用单天线GNSS航向角作为量测量进行航向约束,解决了MEMS-SINS/GNSS姿态估计中航向角可观测性弱、估计值收敛差的问题;通过转弯判断规则和常规无迹卡尔曼滤波改进算法,抑制了偏流角对系统估计精度的影响。仿真结果表明,该算法有效地抑制了航向角估计精度差的问题,水平姿态精度达到0.01°,航向角精度达到0.1°,提高了系统的导航精度及可靠性。     

低轨微纳卫星全磁自主导航算法研究

针对低轨微纳卫星体积小、功耗低的设计约束,提出了基于低轨地磁的定轨/定姿全磁自主导航算法.该算法仅利用三轴磁强计测量值和卫星动力学方程建立Kalman滤波器,实现了低轨微纳卫星的全自主轨道确定和姿态测量,理论仿真结果表明,该全磁导航算法精度能够满足低轨微纳卫星的一般要求.利用高精度地磁模拟器搭建了微纳卫星全磁自主导航地面仿真验证系统,对算法进行了全物理仿真测试和实验误差分析,进一步验证了全磁自主导航算法的可行性,为低轨微纳卫星提供了一种低成本、高自主、高可靠性的导航方法.     

基于非合作LEO卫星辅助GNSS联合定位技术CSCD

针对全球导航卫星系统(GNSS)在受挑战的环境中,出现导航卫星信号被干扰或遮挡,导致可见卫星数目无法满足定位最低要求的情况。利用低轨(LEO)卫星具有信号到达地面功率高、抗干扰能力强,以及在未来将进行大量部署的特点,可为GNSS的导航服务提供备份与补充。提出了基于非合作LEO卫星辅助GNSS联合定位算法,不同于现有的LEO/GNSS联合定位算法将低轨卫星简单地视为轨道降低的导航卫星,该算法以LEO为通信卫星,从非合作、非导航特性的实际情况出发,将LEO的多普勒与GNSS的伪距、多普勒相结合求解用户位置信息,并以ORBCOMM低轨通信卫星联合GPS为例进行了仿真实验,实验结果验证了算法的可行性与性能。     

一种惯导系统工具误差在线估计方法研究

为了在高动态条件下对惯导系统工具误差进行在线估计,提出了基于卫星导航接收机原始测量信息的惯导/卫星导航深组合导航滤波方法,该方法是以卫星导航接收机伪距和伪距率作为观测量,对惯导系统位置、速度、姿态角和陀螺、加速度计零位等误差进行实时估计,并进行闭环补偿,解决了惯导系统长航时使用时,惯导系统误差随时间快速发散等问题。经理论仿真和试验验证,该方法可以有效地抑制惯导系统误差,具有工程实用价值。     

INS/GNSS组合导航系统空中快速对准方法

针对机载惯性/全球导航卫星系统(INS/GNSS)组合导航系统地面静基座对准时间较长、航向对准精度较低以及惯导空中故障重启后无法快速得到精确姿态信息重新进入导航状态等问题,提出一种快速初始对准方法。该对准方法基于惯性导航比力方程,利用GNSS的定位、测速信息与惯性测量组件(IMU)的输出信息解算载体姿态信息,并结合遗传-牛顿算法与求和自回归滑动平均(ARIMA)模型卡尔曼滤波信号降噪技术提高姿态信息的解算精度。基于实测飞行数据的解算验证了该方法的有效性、对准精度以及在实际工程应用中的优越性。     

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。     

一种鲁棒GNSS矢量跟踪环

复杂环境下导航接收机的连续可用性一直是卫星导航领域的研究重点。针对矢量跟踪环动态适应性不够和误差在通道间传播的问题,提出一种鲁棒全球导航卫星系统(GNSS)矢量跟踪环。基于各通道的伪距、伪距率和伪距加速度状态量构建扩展卡尔曼滤波器(EKF),通过灵活设置过程噪声方差阵,实现跟踪通道的耦合与解耦;采用基于极大似然估计器(MLE)的鉴别器生成码延迟和载波频率偏差观测量;利用滤波值修正并预测伪距率来控制本地数控振荡器(NCO),实现环路的闭合。仿真结果表明,本文设计的矢量跟踪环在保证环路相互辅助的基础上,避免了衰减通道误差在通道间的传播,可以对被遮挡信号保持稳定跟踪,鲁棒性优于传统矢量延迟频率锁定环。     

低成本GNSS接收机芯片载波相位测量技术

当前具备载波相位测量的GNSS接收机能够实现高精度定位,但其成本高、体积大,难以广泛应用于大批量的手机、平板电脑等消费电子产品。针对ST公司的STA8090接收机芯片并改进其软件和晶振以获得载波相位信息,采用双差和三差方程测试评估载波相位测量的精度,与测绘型接收机进行对比。基于改进的STA8090接收机芯片构建双天线定姿系统原型样机,静态测试评估了相对定位和定向精度。研究结果表明,千米级静态相对定位精度优于0.01m,在1.23m基线条件下定向精度优于0.1°。因此,采用低成本GNSS接收机芯片实现高精度载波相位测量的技术方案是可行的,具备广阔的市场应用前景。     

GNSS广域差分改正数估计方法研究

随着我国北斗三号基本系统的正式运行，基于地面监测站的广域差分增强系统成为进一步提升卫星导航定位精度的手段之一。在码噪声多径误差修正（CNMC）的基础上，使用等效钟差方法实现GNSS卫星轨道与钟差误差的解耦，并依据卫星轨道运动的动力学特性，引入希尔差分方程描述卫星轨道误差变化，实现对轨道误差的实时卡尔曼滤波估计。基于GPS实测数据，对改正前后的用户等效测距误差（UERE）和定位精度进行了对比研究。实验结果表明，采用该方法，UERE标准差由改正前的0.456 m减小至0.227 m，降幅达到50.22%；整体水平定位误差（95%置信区间）由0.981 m减小至0.782 m，垂直定位误差（95%置信区间）由1.991 m减小至1.131 m，分别提升了20.29%和43.19%，差分改正效果明显。     

面向Android智能终端的多模GNSS实时非差精密定位

Android操作系统中全球导航卫星系统(GNSS)原始数据的开放为大众高精度位置服务的应用带来了重要机遇。在对Android系统GNSS原始数据特性分析的基础上,利用智能终端GNSS原始数据实现了实时非差精密定位,研制了面向Android平台的实时精密单点定位(PPP)软件PPPAnd,并开展了实际环境下的定位测试。测试结果表明:基于Android终端GNSS原始数据的实时静态伪距单点定位精度(RMS)为1.16m(水平方向)和1.51m(垂直方向),较其自身位置速度和时间(PVT)解算结果分别提高了70%和76%;实时静态精密单点定位解算结果的精度(RMS)为0.62m(水平方向)和0.66m(垂直方向),较PVT结果分别提高了87%和82%,精度收敛至1m以内所需时间约8min,并且收敛后的精度可达亚米级;城市环境中车载实时动态精密单点定位的水平和垂直精度(RMS)分别约为1.32m和0.81m,较PVT结果分别提高了39%和65%。     

GNSS多系统RTK授时性能分析

RTK授时不依赖实时精密星历，精度高、实现简单，在短距离精密授时与时间同步中具有突出的应用潜力。针对城域环境下单系统RTK授时可能面临可用卫星数量较少、收敛时间较长等问题，验证分析了GNSS多系统RTK授时性能。基于中国科学院国家授时中心时间频率资源和3个GNSS跟踪站的BDS-3、GPS和Galileo观测数据开展多系统RTK授时试验，涉及动态、静态和固定站坐标3种模式，并从授时精度、收敛时间和稳定度3个方面展开分析。两条基线的试验结果表明：与光纤双向时间频率传递结果相比，动态模式下，多系统单频授时差异STD较GPS单系统分别提高9.13%和9.01%，静态模式分别提高6.09%和11.76%，固定站坐标模式分别提高3.04%和5.79%，多系统单频RTK授时的授时结果差异STD优于0.25 ns，双频优于0.15 ns；多系统融合使得RTK授时的收敛时间与GPS单系统相比至少缩短25%以上，静态模式下双频RTK收敛时间缩短最多，两条基线分别缩短66.9%和67.8%；3种模式多系统站间钟差的万秒稳均进入10-15量级，动态模式和静态模式下短期稳定度相比GPS单系统有明显改善，但随着平均时间的增长，这种改善也在逐渐减弱。试验结果可为城域环境下GNSS多系统RTK授时的应用推广提供一定的参考。     

卫星拒止情况下低精度惯导系统航姿算法研究

在卫星拒止情况下,低精度MEMS惯导系统由于惯性器件性能较差,无法长时间保持姿态精度。从重力矢量及飞行器的动力学特性出发,提出了一种基于动态检测和Kalman数据融合的航姿算法。该算法从导航与飞控一体化的理念出发,实时判断飞行器机动和飞控状态,在低动态时利用Kalman滤波器对水平加速度和惯性解算的姿态角进行数据融合,估计和修正水平姿态误差,从而提高水平姿态精度。经过飞行仿真验证,该算法可有效完成飞行器的动态检测,并保证在系统机动情况下水平姿态误差在2°以内。     

不同GNSS在高纬度地区时间传递性能分析

全球卫星导航系统（GNSS）载波相位时间传递技术是高精度时间传递领域的主要研究方法之一，但目前关于该部分的研究主要集中在中低纬度地区，在高纬度地区并不多见。不同GNSS由于星座设计不同，在高纬度地区结构差异较大，因此需要对不同GNSS在高纬度地区的时间传递性能进行分析。实验结果表明，在高纬度地区时间传递中，Galileo稳定度最高，GPS和BDS次之，GLONASS最差。同时因在高纬度地区卫星的高度角普遍偏低，为合理平衡低高度角时可视卫星多和多路径误差大的矛盾，对不同截止高度角下获取的链路时间传递性能进行了分析。结果表明，在5°截止高度角下，高纬度地区的时间传递链路稳定性最好。     

GNSS实时卫星钟差估计在地震监测中的应用

为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移，为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息，利用全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）高频观测数据，基于非差估计法对多模GNSS卫星钟差进行实时估计及性能分析，并将其应用于精密单点定位（precise point positioning, PPP）实时计算2021年漾濞Mw6.4地震和玛多Mw 7.4地震的地面动态形变。结果表明,GNSS四系统实时估计卫星钟差的标准差（standard deviation, STD）均值为0.142 ns，其多系统组合PPP动态解的平均标准差在水平方向达到0.5 cm，高程方向达到1.0 cm，计算得到的地震动态位移波形相对GPS单系统更为稳定，而且能够获得较为准确的同震形变。     

北斗二号伪距偏差特性分析及其对定位的影响

伪距偏差是指因卫星下行导航信号非理想状态,导致不同技术状态的终端在接收同一卫星导航信号时产生不同的测距偏差,而现有伪距改正手段尚未考虑该偏差,甚至在双频定位时还会被进一步放大.基于Curtin GNSS研究中心设置的零基线接收机,使用接收机零基线差分解算多组观测终端下北斗二号卫星的伪距偏差,分析其特性,并采用标准单点定位测试伪距偏差改正后的定位精度变化.结果表明:北斗二号各卫星在不同频点的伪距偏差最大可达20cm,B2信号伪距偏差普遍小于B1信号;考虑伪距偏差改正后,标准单点定位在U方向最大提升7.9％,三维方向最大提升5.1％.     

微小型无人机三轴磁强计现场误差校正方法

详细分析微小型无人机导航用三轴磁强计的误差来源,建立三轴磁强计的等效误差模型,提出基于两步估计算法和圆约束非对准误差估计算法的三轴磁强计现场误差校正方法.在充分考虑地磁场偏转和倾斜特性的基础上,提出适合微小型无人机应用的现场数据采样策略,能够在较少的旋转操作下获得较好的采样数据.仿真表明:在所有磁场误差都存在的情况下,...     

DO 28飞行试验数据一致性检验

 本文研究DO28试验机飞行试验数据一致性检验及其误差校正。建立了由非线性运动学方程及内容广泛的校正环节构成的一致性检验模型,解决了大地风场重构、测量信号时间延迟估计、ψ转换及测量控制信号的校正。为DO28参数估计提供了可靠、准确的飞行试验数据。