TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小，重量轻，适用于低轨道航天器的GPS接收机，这项计划由国防预预研规划局（DARPA）发起，空军菲利普斯实验室监督，这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成，这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术（TAOS）”卫星上。这种接收机有六个通道，可连续跟踪四颗主用的GPS卫星，第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星，它可以完成伪距，连续载波，距离变化量的测量；用八态护展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速率，洛克韦尔公司的这种接收机重8磅，使用28伏直流电源，功耗12瓦，本文将介绍该接收机的设计和验收测试，并给出利用“多通道星载GPS仿真评估系统”（SEVS）得到的性能测试结果，该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L1和L2频段的射频信号，模拟低轨道航天器的信号环境。     

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。     

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末级定轨。利用这种方法，不同观测时刻的卫星状态间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。     

极弱信号环境下GPS位同步和载波跟踪技术

为解决环路未锁定、无法找出正确的导航数据位跳变点时极弱全球定位系统(GPS)信号跟踪问题,通过分析信号跟踪模型和相关器1 ms采样数据特性,将最优路径动态规划算法应用于GPS位同步,并提出基于平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)和位同步结合的载波联合跟踪算法。建立了适合位同步的SRUKF载波环参数估计模型,针对位同步的实现条件和无相位频率先验信息的情况,将位同步模块提前,研究设计了环路未锁定时串行和并行两种弱信号跟踪方案。位同步跟踪完成后环路采用单独的SRUKF工作方式。实验结果证实该文提出的算法具有较高的数据位边缘检测概率(EDR)和参数估计性能,而无须关心环路是否处于锁定状态,能够对载噪比低至22 dB/Hz的弱信号实现跟踪。     

利用GPS进行精密轨道确定

全球定位系统完全布满卫星后，将成为近的地卫星的精密轨道确定强有力的工具。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。     

基于滑动DFT和插值DFT算法的GPS信号载波跟踪方法

 在分析GPS接收机跟踪环路信号特征的基础上,将滑动离散傅里叶变换（DFT）算法和插值DFT频率估计算法相结合,提出一种在频域进行的载波跟踪方法。该方法首先根据捕获时得到的粗略载波频率估计值确定计算DFT值点的范围,然后利用滑动DFT算法计算这部分点的DFT值,最后利用插值DFT频率估计算法估计载波频率,进行跟踪环路中载波频率的更新。该方法计算复杂度低,便于实际应用。仿真结果显示,该方法能够对载波频率正确跟踪,验证了算法的可行性。     

关于地球转移轨道碎片的轨道寿命问题

低轨卫星的轨道寿命主要取决于大气的耗散作用,其轨道在不断变小(即高度降低)变圆的状态下进入地球稠密大气层中陨落。但地球转移轨道(GTO)碎片的运行轨道是一个近地点高度为200km,远地点高度达36000km的大偏心率(e=0.73)椭圆轨道,其轨道寿命主要由第三体(日、月)引力摄动所决定,而且还与其轨道的初始状态有密切关系。本文将根据地球卫星轨道变化规律进行理论分析,阐明力学机制,并给出相应的数值验证。     

TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小、重量轻、适用于低轨道航天器的GPS接收机。这项计划由国防预研规划局(DARPA)发起,空军菲利普斯实验室监督。这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成。这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术(TAOS)”卫星上。 这种接收机有六个通道,可连续跟踪四颗主用的GPS卫星,第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星。它可以完成伪距、连续载波、距离变化量的测量;用八态扩展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速度。洛克韦尔公司的这种接收机重8磅,使用28伏直流电源,功耗12瓦。本文将介绍该接收机的设计和验收测试,并给出利用“多通道星戴GPS仿真评估系统”(SEVS)得到的性能测试结果。该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L_1和L_2频段的射频信号,模拟低轨道航天器的信号环境。     

一种基于参数控制的低轨星载接收机载波跟踪算法CSCD

低轨星座接收机面临大多普勒频移及频繁快速换星等设计约束,对其载波跟踪环路设计提出了较高的动态适应性与跟踪精度要求。针对以上问题,提出了一种基于参数控制的载波跟踪算法。该算法引入环路控制因子参数,将环路滤波器分为牵引和跟踪两阶段。基于理论建模推导环路控制因子的最优参数配置原则,指导实现牵引和跟踪两种状态滤波器的协同配合,在牵引阶段有效引导大多普勒信号快速入锁,在跟踪阶段精确估计载波频移参数,实现基于低轨星载平台的GNSS信号快速准确跟踪。理论与仿真结果均表明基于参数控制的载波跟踪算法能够有效提升环路的动态适应性与跟踪精度,满足低轨星载接收机的设计需求。与传统算法相比,该算法在保证信号跟踪精度的同时,能够将收敛时间缩短78%,且环路设计简单,易于硬件实现。     

自主机动条件下的实时定轨方法

中继卫星在跟踪自主机动用户目标时,由于机动轨道未知,需要利用中继卫星下传的星载GNSS(Global Navigations Satellite System,全球导航卫星系统)数据进行实时轨道确定与预报,为中继卫星跟踪提供实时的引导信息,以方便中继卫星快速捕获目标和连续稳定跟踪。针对该类用户目标的任务需求,讨论了基于星载GNSS数据自主机动条件下的实时定轨方法,建立了连续推力机动力学模型。以某一型号卫星的实测数据进行分析验证,并对轨道机动进行辨识,计算的机动加速度和机动时间与试验单位提供的结果一致。针对卫星不同机动情况,5min的观测数据定轨预报10min的弧段,最大位置误差小于8km,可以为中继卫星快速捕获提供高精度的引导信息。     

Spacecraft orbit determination using GPS navigation solutions

The orbit determination using the GPS navigation solutions for the KOMPSAT-1 spacecraft has been studied. The Cowell method of special perturbation theories was employed to develop a precision orbit propagation, and the perturbations due to geopotential, the gravity of the Sun and the Moon, solid Earth tides, ocean tides, the Earth's dynamic polar motion, solar radiation pressure, and atmospheric drag were modeled. Specifically, the satellite box-wing macro model was applied to minimize the drag errors at low altitude. The estimation scheme consisted of an extended Kalman filter and Bayesian least square method. To investigate the applicability of the method to the KOMPSAT-1 spacecraft, the orbit determination was accomplished using the GPS navigation solutions for the TOPEX/POSEIDON and TAOS satellites. The orbit determination results were compared with NASA POE generated by global laser tracking. The position and velocity accuracy was estimated about 16∼7 m and 0.0157∼0.0074 m·s⁻¹ RMS, respectively, for the two satellites in the presence of SA. These results verify that an orbit determination scheme using GPS navigation solutions can provide the static orbit information and reduce conspicuously the position and velocity errors of navigation solutions. It can be suggested that the sequential and batch orbit determination using the GPS navigation solutions be the most appropriate method in the KOMPSAT-1 type mission.     

一种改进的GPS动态定位滤波方法

针对GPS接收机能够测量卫星信号的多普勒频率的特性,亦即能够测量三维速度的特性,引入了一种改进的GPS定位系统滤波算法。首先,根据机动载体的"当前"统计模型建立了系统状态方程;然后,根据GPS接收机实际能够输出位置与速度信息的特点建立了系统的量测方程;最后,给出了标准的卡尔曼滤波算法模型并详细描述了算法的推导过程。仿真结果表明,改进算法相对于以前的算法无论是在精度和跟踪速度方面都有较大的提高。     

Receiver-channel based adaptive blind equalization approach for GPS dynamic multipath mitigation

Aiming at mitigating multipath effect in dynamic global positioning system (GPS) satellite navigation applications, an approach based on channel blind equalization and real-time recursive least square (RLS) algorithm is proposed, which is an application of the wireless communication channel equalization theory to GPS receiver tracking loops. The blind equalization mechanism builds upon the detection of the correlation distortion due to multipath channels; therefore an increase in the number of correlator channels is required compared with conventional GPS receivers. An adaptive estimator based on the real-time RLS algorithm is designed for dynamic estimation of multipath channel response. Then, the code and carrier phase receiver tracking errors are compensated by removing the estimated multipath components from the correlators’ outputs. To demonstrate the capabilities of the proposed approach, this technique is integrated into a GPS software receiver connected to a navigation satellite signal simulator, thus simulations under controlled dynamic multipath scenarios can be carried out. Simulation results show that in a dynamic and fairly severe multipath environment, the proposed approach achieves simultaneously instantaneous accurate multipath channel estimation and significant multipath tracking errors reduction in both code delay and carrier phase.     

星座碰撞规避的迭代学习构型保持方法CSCD

针对低轨卫星星座运行中地球引力摄动的周期特性,基于迭代学习控制(ILC)方法,提出了星座碰撞规避的迭代学习构型保持方法。该方法由反馈控制和ILC两部分构成,分别抑制卫星运行过程中的非周期摄动和周期摄动对构型保持精度的影响,进而在地球非球形引力摄动未知条件下,通过相对构型的精确保持实现对星座卫星碰撞的有效规避。仿真结果表明,在地球J摄动影响下,与传统反馈控制相比,ILC方法以更小的控制输入实现了轨道保持精度的显著提升,进而在星座卫星轨道高度相近的情形下显著降低了碰撞风险,且控制器可在保证收敛性能的前提下,实现启动时间的灵活选择。     

基于中继测量的环月探测器定轨能力分析

嫦娥四号月球探测拟首次实现月球背面的软着陆,测控与数传依赖地月L2平动点的中继卫星,并有望获取四程测量与星间测量数据。对基于中继测量的环月探测器测定轨能力进行了仿真分析,结果表明,中继卫星可较好地实现环月探测器连续跟踪;在定轨能力方面,中继卫星自身轨道精度是制约环月探测器定轨精度的重要因素,当跟踪弧段达到5h以上时,定轨精度趋于稳定,但轨道精度较中继卫星的轨道精度相差1个量级;对于星间链路测量,除中继卫星自身的轨道精度外,星钟的稳定性是制约定轨精度的另一个重要因素,如果辅助以每天1h的地基跟踪亦可实现优于百m的定轨精度。     

Precise orbit determination for TH02-02 satellites based on BDS3 and GPS observations

The Tianhui-2 02 (TH02-02) satellite formation, as a supplement to the microwave mapping satellite system Tianhui-2 01 (TH02-01), is the first Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) satellite formation-flying system that supports the tracking of BeiDou global navigation Satellite system (BDS3) new B1C and B2a signals. Meanwhile, the twin TH02-02 satellites also support the tracking of Global Positioning System (GPS) L1&L2 and BDS B1I&B3I signals. As the spaceborne receiver employs two independent boards to track the Global Navigation Satellite System (GNSS) satellites, we design an orbit determination strategy by estimating independent receiver clock offsets epoch by epoch for each GNSS to realize the multi-GNSS data fusion from different boards. The performance of the spaceborne receiver is evaluated and the contribution of BDS3 to the kinematic and reduced-dynamic Precise Orbit Determination (POD) of TH02-02 satellites is investigated. The tracking data onboard shows that the average number of available BDS3 and GPS satellites are 8.7 and 9.1, respectively. The carrier-to-noise ratio and carrier phase noise of BDS3 B1C and B2a signals are comparable to those of GPS. However, strong azimuth-related systematic biases are recognized in the pseudorange multipath errors of B1C and B3I. The pseudorange noise of BDS3 signals is better than that of GPS after eliminating the multipath errors from specific signals. Taking the GPS-based reduced-dynamic orbit with single-receiver ambiguity fixing technique as a reference, the results of BDS3-only and BDS3 + GPS combined POD are assessed. The Root Mean Square (RMS) of orbit comparison of BDS3-based kinematic and reduced-dynamic POD with reference orbit are better than 7 cm and 3 cm in three-Dimensional direction (3D). The POD performance based on B1C&B2a data is comparable to that based on B1I&B3I. The precision of BDS3 + GPS combined kinematic orbit can reach up to 3 cm (3D RMS), which has a more than 25% improvement relative to the GPS-only solution. In addition, the consistency between the BDS3 + GPS combined reduced-dynamic orbit and the GPS-based ambiguity-fixed orbit is better than 1.5 cm (3D RMS).     

大气密度模型用于近地卫星定轨预报的比较

大气阻力是低轨卫星主要的摄动力,与高层大气密度的变化密切相关。由于目前对高层大气密度变化的机制尚未完全掌握,所使用的各种大气密度模型多属于半经验公式。在这些模型中并没有一种在任何情况下都是最好的,因此,对于特定轨道选择合适的大气密度模型对提高定轨预报的精度是非常重要的。通过对资源2号卫星实测GPS数据的分析计算,比较了常用的8种大气密度模型的定轨预报精度,探讨了预报24h应采用的定轨数据长度和大气密度模型。