用于低轨卫星精密轨道确定的简化动力学法

全球定位系统(GPS)的测量量可促成一种简化动力学法,用于近地卫星的近厘米级定轨。利用这种方法,不同观测时刻的卫星状态问的转移由正规的动力学模型和由连续GPS载波相位数据以运动学法导出的卫星位置变化来完成。动力学信息和运动学信息间的相对权重可自由变化。协方差分析表明:当观测几何差而动力学模型好时,模型支配着状态转移的计算;动力模型差而观测几何好时,载波相位统治着状态转移的计算;而当运动学和动力学信息间没有明显优劣时,简化动力学联合法可显著提高轨道精度。本文给出简化动力学法中准最佳的择权准则,并研究了求解精度对权的敏感性。     

利用GPS测量空间转移飞行器的姿态

在长时间的运行过程中,空间转移飞行器(STV)的惯性测量系统将积累过大的姿态误差。利用GPS可以对其姿态进行修正,以满足任务的需求。本文考虑了测量姿态的四种不同方法:推力矢量测定、差分GPS、相位时间三差和载波相位测姿。由于非常靠近空间站,空间转移飞行器上天线间隔的限制及相位时间三差求解需要很长的积分时间,我们选用载波相位测姿法。利用人马座顶上级代表空间转移飞行器的结构,载波相位的测量精度为0.2cm,本文证明了利用相位时间三差解初始的不对准误差对大部分飞行任务是可以接受的。GPS和高质量的惯性导航系统(INS)相结合,可以改进姿态测量方法,同时惯导系统还可辅助GPS接收机的载波跟踪环,保持载波相位的锁定。利用载波相位测姿法测量空间转移飞行器的姿态,至少要用4颗卫星。本文给出了一种选择有利卫星几何的几何方法。概括地讲,首先选择一颗最高仰角的卫星作为主星,然后在天线基线相反两侧选择低仰角的2#星和3#星,最后选择4#星,4#星远离其它3颗星,并且最好位于与基线垂直而不是包含基线的平面上。其目的是选择几何分布好的卫星,以便有良好的天线基线方位/俯仰灵敏度和良好的单位矢量差(GDOP)分布。本文介绍了对于一组卫星,一旦主星选定,如何从数学上计算方位/俯仰灵敏度。把方位和俯仰灵敏度及GDOP代入复合排序方程,以确定最佳的一个4颗星的星座,然后采用Magnavox研究的载波相位定位的算法,由这4颗卫星的载波相位,计算空间转移飞行器的姿态。     

星载双频GPS相位历元差缩减动力学定轨(英文)

研究了星载双频GPS相位历元差缩减动力学定轨方法,该方法既克服了相位历元差运动学方法在观测几何较差或数据不足情况下无法应用的缺点,又避免了相位非差动力学方法易受周跳和模糊度影响的缺点。历元差方法对相位周跳的影响不敏感,因此能够降低相位数据预处理中周跳探测的难度。在模型求解过程中,解决了高维矩阵的计算问题,将长弧段观测数据分成若干短弧段,相邻两个短弧段的连接处不做差分,仅在每个短弧段内部进行历元间差分处理。通过对GRACE卫星进行试算,并与GFZ事后科学轨道进行比较,结果表明相位历元差缩减动力学定轨精度在径向、沿迹方向和轨道法向分别可达1.92cm、3.83cm和3.80cm,三维位置精度可达5.76cm,该方法与相位非差缩减动力学定轨精度相当。     

利用GPS进行精密轨道确定

全球定位系统(GPS)完全布满卫星后,将成为近地卫星的精密轨道确定(POD)强有力的工具。该系统具有连续跟踪覆盖能力,不仅可实现传统的动力学精密轨道确定方法,而且还可进行运动学轨道确定。来自至少四个GPS卫星的伪距测量值,通过载波相位测量值的平滑,可测定天线相位中心的地心位置和用户卫星的时钟修正值,因而后一技术不需要用户卫星受力的动力学模型。运动学法对测量模型的影响非常敏感,如GPS星历误差(给定的或求解的)、信号的多径、接收机噪声等等;然而,动力学方法又受参数误差和/或力模型不完善的影响。为此研究出一种利用过程噪声补偿对运动学和动力学算法进行加权的混合方案。本课题的中心点是利用仿真辅以协方差分析,研究这几种定轨方法。建立了几种动力学和测量误差模型,这些模型造成的轨道不确定性与处理实际GPS数据而估计的星历误差大致相当。协方差分析经调整能反映这些误差,能看出各种滤波技术的特性。     

单颗导航卫星的轨道确定

讨论在导航星座只有一颗卫星时，不依赖于时间同步系统的卫星定轨策略和精度分析。采用历元间差分算法，在消除钟差的主项（低频）误差后，将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据，并对其建立测量模型。仿真分析表明，此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度，利用实测的GPS数据进行轨道确定计算，计算结果表明，采用历元间差分算法，利用国内观测台站3天弧段的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨，其径向精度优于10m，利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13．8m。     

星载GPS相位非差低轨卫星定轨及其精度分析

星载GPS相位非差低轨卫星事后精密定轨无需考虑复杂的动力学模型和地面资料，只需低轨卫星上的GPS观测资料和IGS的GPS精密星历产品，而且对于不同高度的卫星定轨都适用，计算简单、方便，能快速、高精度地确定轨道，同时还能确定部分动力学参数。本文在研究相位非差定轨方法基础上，对低轨卫星的误差影响及其处理措施进行探讨，给出了GPS相位非差定轨流程，编写了相应的定轨软件（SHKINE），并利用CHAMP卫星资料对定轨的可靠性和精度进行分析，表明：利用自行编写的SHKINE定轨软件对CHAMP卫星定轨，3个方向坐标精度为10cm-20cm，点位精度为30cm-40cm，能满足一般定轨要求，是一种简单方便、行之有效的定轨方法。     

基于运动的GPS测姿解整周模糊的新算法

利用GPS载波相位技术可进行近厘米级精度定位。借助几个天线,利用载波相位可测定姿态。本文介绍一种基于运动的解整周模糊的算法,适用于可见GPS卫星较少的场合。当共视卫星数少于3颗时这种算法是一种基本手段。用作直升机自主样机和飞机的测姿设备实验中,这种算法非常成功。     

空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——动力学统计定轨程序compass的编写及调试

介绍了空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的开发过程。软件的初级阶段目标是可以利用SLR观测对多颗激光卫星进行同时定轨、可以利用非差GPS观测对GPS星座进行同时定轨，并估计有意叉的地学参数。COMPASS的开发采取了由简到繁、循序渐进的技术策略，软件开发经历了这样几个主要过程：多星多技术定轨框架的建立。利用SLR观测确定GPS卫星的轨道，利用IGS的SP3轨道确定GPS星座的轨道，利用非差GPS伪距观测确定GPS星座的轨道，利用非差GPS伪距和相位观测确定GPS星座的轨道。激光卫星的定轨精度已经达到国际水平，可以用于提供国际服务（如IERSEOP；ILRS快速分析）；GPS定轨内符精度达到国际先进水平，平均外符精度好于30cm。     

GPS 双基线载体姿态测量研究

研究了采用双基线方案测量载体的姿态,利用GPS双差相位测量基线矢量,双差伪距观测值辅助解相位整周模糊,双频时引入空间变换缩小置信空间搜索次数,通过实例分析得出了正确解算相位模糊与观测次数、伪距测量精度的关系,并利用误差传播定律对姿态测量精度进行分析,结合卫星星历数据计算表明,在卫星运行周期内航向角和俯仰角平均测量精度在一定条件下优于2mrad.     

一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法

为了提高实时卫星钟差估计的精度和稳定性，提出了一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法。基于超快速轨道产品，分析了轨道标准差与绝对轨道误差的相关性。通过线性插值获得实时轨道误差信息，以优化先验残差的随机模型。基于先验轨道标准差阈值，采用分段方式剔除实时轨道异常卫星对应的观测值。实验结果表明：轨道标准差和轨道误差的相关性高达0.82。与常用的高度角相关的随机模型相比，GPS卫星钟差估计精度最大提高了15.2%，平均提高了8.1%，钟差误差的时间序列更加平稳，所有GPS卫星的平均钟差STD均在0.15ns以内。因此，超快速轨道产品中提供的轨道标准差与绝对轨道误差表现出较强相关。采用顾及轨道误差的实时钟差估计方法可提高GPS卫星钟差估计精度，准确识别并剔除GPS实时轨道异常的卫星，从而提高GPS实时钟差估计的稳定性。     

GPS单差观测量的运动学相对定轨研究

以双星编队飞行为工程背景,在两颗编队卫星均搭载GPS双频接收机和一颗搭载GPS双频接收机而另一颗搭载GPS单频接收机两种模式下,对相对定轨方法和数据处理流程进行了研究。运动学相对定轨采用最小二乘批处理方法进行轨道估计,定轨流程包括单点定位、动力学平滑、数据编辑、运动学绝对定轨和运动学相对定轨五个步骤。利用GRACE双星数据进行测试,结果通过KBR验证:利用消电离单差组合观测量,相对定轨精度达到1 cm左右;以双频GPS为参考星,双频消电离观测量和单频GRAPHIC观测量做单差,相对定轨精度优于18cm。     

利用几何约束快速求解整周模糊度

本文以GPS载波相位测量确定载体姿态的应用为背景，针对其中的关键技术问题－载波相位整周模糊度的快速解算，提出了一种充分利用卫星与基线之间几何约束来压缩搜索空间，快速得到正确的双差模糊度组合的方法，并通过对ADUⅡ接收机采集的原始数据进行处理，其结果证明这的确是一种行之有效的模糊度搜索方法。     

基于小波变换的GPS载波相位周跳检测与修复

载波相位周跳检测与修复是实现GPS高精度定位的难点之一。小波变换具有空间局部性好的特点,本文利用小波变换把载波相位观测量分解为高频和低频分量,提出了利用小波系数局部极值点检测相位周跳的方法。基于载波相位和多普勒频率共同约束的埃尔米特多项式,外推周跳时刻载波相位,与观测值比较确定周跳的大小,从而修复周跳。利用飞机实际观测数据和仿真的高动态数据进行了计算,给出了计算结果,表明该方法可以对高动态情况下载波相位周跳进行准确探测和修复。     

一种数值定轨方案

本文给出一种有别于习惯采用的人造卫星精密定轨方法，该方法仍以分析定轨法的轨道根数作为待估状态量，但却采用数值法计算精度要求较高的卫星受摄星历，而用分析法去计算条件方程中所需的状态转移矩阵。这样既保持了清晰的轨道图象，又使计算卫星受摄星历和状态转移矩阵得以简化，相应的软件形式简单。只要定轨弧段Ｓ不太长（Ｓ〈１０＾３），就能在一定精度条件下明显提高卫星定轨的计算效率。     

载波相位平滑伪距在GPS/SINS紧组合导航系统中的应用

针对GPS/SINS紧组合导航系统中伪距噪声大从而引起组合导航系统精度低的问题,提出了将载波相位平滑伪距方法引入到组合导航系统中,利用具有较高精度的载波相位对低精度伪距进行平滑滤波,在建立观测方程的同时,为了减小Kalman滤波器计算量,选用最佳4颗卫星的伪距与伪距率作为观测值,并提出了一种四面体选星法,该方法不需要进行矩阵求逆运算,减小了运算量。利用光纤陀螺捷联惯导系统与GPS接收机搭建了实验验证系统,通过车载实验对所提出的方法进行了验证,实验结果表明,经过载波相位平滑后的伪距噪声得到了降低,从而能够进一步提高GPS/SINS组合导航系统的定位精度,其位置误差均方根值相比无载波相位平滑减小近40%。     

基于类GPS技术的编队卫星相对参数测量研究

针对编队飞行小卫星间相对位置和相对姿态的测量,提出利用类GPS技术实现编队卫星间的自主测量,建立相应的测量模型来获得与相对位置和相对姿态相关的观测量。利用C-W方程和姿态运动学方程建立相应的状态方程,通过扩展卡尔曼滤波实现对编队卫星间相对参数的实时估计。MATLAB仿真结果表明,此方法能够获得很高的测量精度。     

北斗三频周跳探测与修复算法研究

载波相位观测值已越来越多地应用到增强系统中,由于观测环境影响,载波相位测量不可避免地会产生周跳,周跳的成功探测与修复是提高导航定位精度的一个重要因素。针对北斗卫星导航系统三频观测数据,分析其不同线性组合观测值的特性,选取合适的组合系数,形成一个伪距相位组合和两个无几何相位组合,采用历元间差分的方法探测和修复组合观测值的周跳,然后还原求解出原始信号的周跳,最后通过实验验证了该方法的可行性。     

改进联邦滤波器在小卫星姿态确定中的应用

采用微小卫星姿态运动学、动力学方程,以磁强计／太阳敏感器为姿态敏感器进行姿态确定,研究了一种基于融合反馈的改进联邦滤波算法,提出了一种基于观测新息修改的信息分配原则。给出了由四元数描述卫星姿态的误差状态方程,并对观测矢量进行推导,获得了基于角速度的观测方程,丰富了观测模型。仿真结果表明：基于角速度观测方程的引入,增强了观测信息的利用率,进而提高了姿态确定的精度,降低了计算量,保证了可靠性。     

编队飞行小卫星空间状态测量方法研究

介绍了编队飞行小卫星特点，提出了小卫星空间状态测量方案。着重论述了星间相对状态自主测量方法，计算了伪码和载波相位跟踪环路、时钟基准频差以及测量设备延迟带来的星间相对距离测量误差，讨论了降低误差的方法。在对误差项进行综合分析后，得出相对距离测量误差可达到厘米级的结论。     

基于地面测量的卫星导航系统时间同步技术研究

根据卫星导航系统地面观测数据的特点,建立了站间和星地时间同步的状态空间方程和量测方程,设计了序列Kalman滤波算法,综合利用时间同步观测数据及伪距观测数据,求解出监测站及导航卫星钟差。通过仿真计算表明,本文所建立的模型及设计的序列Kalman滤波算法,提高了卫星导航系统站间和星地时间同步的精度,具有一定的应用价值。