基于多传感器的卫星自主导航信息融合算法

通常卫星上装有较多的自主导航传感器,如何将其信息有效的组织并充分利用,是卫星自主导航的关键问题.采用信息融合技术把两种或多种导航系统组合起来,应用最优估计理论,形成最优组合导航系统,有利于充分运用各导航系统的信息进行信息互补和信息合作,已逐渐成为了导航定位技术的发展方向.文章针对星敏感器、红外地平仪、雷达高度计、紫外敏感器组成的卫星自主导航系统的特点,提出了一种基于联邦卡尔曼滤波技术进行轨道确定的信息融合算法.仿真结果表明,该方案能够获得较高的定轨精度,有效抑制滤波发散,整个系统的运算速度和收敛速度也有所提高.     

超低轨道地球卫星脉冲星/星光折射/光谱组合导航

针对超低轨道地球卫星导航自主需求,提出了一种脉冲星/星光折射/光谱测速组合天文导航方法。首先根据地球超低轨道卫星运行轨道动力学方程建立导航系统状态模型;分别根据脉冲到达时间差和星光折射角与天体光谱频率建立导航系统量测模型;使用Unscented卡尔曼滤波方法,降低随机误差对导航精度的影响,使用基于UKF的信息融合方法,有效融合了三种天文导航方法结果数据。经计算机仿真分析,该组合导航方法位置导航误差均值为85.62m,速度误差均值0.190m/s,能够满足超低轨道地球卫星在轨运行导航需求。     

基于多传感器天文信息的自主导航算法及可观测性分析

自主导航是未来航天器的发展趋势,利用由太阳敏感器、月球敏感器和红外地球敏感器组成的一体化多传感器天文观测平台,构建了多传感器的天文测量模型,结合航天器动力学模型,分析了自主导航系统的可观测性.基于UKF滤波算法,建立多传感器自主导航算法,并采用原始测量信息和单点解析定位信息两种模式分别进行了仿真验证.仿真结果表明,基于原始天文测量信息的自主导航模式,其导航精度要高于单点解析定位数据的自主导航精度,在无系统误差情况下,导航精度约为200 m.采用系统误差估计的自主导航方法后,常值系统误差对导航精度基本不产生影响.     

基于紫外敏感器和星敏感器的卫星自主导航

卫星利用紫外敏感器和星敏感器进行自主导航的方法中地心矢量的测量精度是影响导航精度的重要因素之一，而地心矢量的测量又受到地球扁率的影响。在考虑地球扁率的前提下，研究了地球扁率对地心矢量测量的影响，给出了基于卫星姿态的地心矢量的补偿方法。仿真结果表明该补偿方法具有较高的补偿精度，并且能有效地提高卫星自主导航精度。     

深空测角测速组合导航系统时间配准方法研究

深空测角测速组合导航系统通过测角信息与测速信息融合,获取探测器位置、速度等参数,具有连续、自主、实时、高精度的优点。在深空测角测速组合导航系统多源信息融合过程中,要求各敏感器数据必须是统一时间基准。基于天文测角测速组合导航系统基本原理,阐述了在实际系统中,测角敏感器、测速敏感器由于时间基准误差、采样周期不一致、数据传输时延等都会造成时间不同步,而时间误差对位置和速度测量信息会带来很大的影响。本文分析时间误差在深空测角测速组合导航系统位置估计和速度估计中的作用机理,研究基于内插外推方法的时间配准方法,实现了测角敏感器与测速敏感器量测信息的同步。数学仿真结果表明,内插外推时间配准算法可有效抑制时间误差,提高深空测角测速组合导航系统导航精度。     

月球车地球敏感器图像地心位置提取算法

地球是月球上可视半径最大的天体，且在天球上运动范围较小，不存在升降现象.当月球车在月球对地面区域活动时，利用地球敏感器对地球成像可实现月球车长期自主天文导航.地球图像地心位置提取是利用地球敏感器进行天文导航的关键技术之一，直接决定了地球敏感器的观测精度.本文通过研究地球敏感器镜头投影模型分析地球成像规律，提出一种不受地相变化约束的地球敏感器图像地心位置提取算法，采用取半搜索法和循环搜索法两步实现地球真实边缘线的充分筛选，并基于此拟合地心位置.半物理仿真实验校验结果表明，本算法能针对不同地相图像有效提取地球中心，外符合平均精度约为9.78"~16.68"，在实验条件随机改变的情况下，地心位置外符合精度标准差互差最大不超过0.98".      

基于X射线脉冲星的航天器自主导航数值分析研究木

基于X射线脉冲星的天文自主导航方法稳定、可靠、精度高.是航天器自主导航领域重要的发展方向.论文介绍了基于X射线脉冲星导航的基本原理,给出了脉冲星自主定位的滤波模型;基于扩展卡尔曼滤波导航算法,以地球同步轨道为例,分析了不同初始误差、轨道倾角、轨道偏心率以及不同脉冲星方位误差下的导航精度.仿真算例表明,在脉冲星方位误差为0.001"、脉冲到达时间测量误差为0.1μs的情况下,导航定位精度优于1 km,且对初始误差不敏感;脉冲星方位精度、脉冲计时精度、轨道面位置和轨道偏心率是影响导航精度的主要因素.     

捷联惯导/里程计组合导航方法

针对车载自主导航需求,基于卡尔曼滤波器,实现捷联惯导与里程计量测信息的组合导航.推导了里程计误差模型,结合捷联惯组误差模型与捷联系统误差模型,建立了捷联惯导/里程计自主组合导航系统误差状态模型.建立了捷联惯导/里程计组合导航量测模型,阐述了估计误差修正方法.采用仿真计算对此方法进行了验证,仿真结果表明:组合导航过程中,初始姿态误差能得到有效估计,姿态误差和位置误差均能控制在一定精度范围内,应用此组合导航方法相对于传统的航位推算方法能得到更高的导航精度,能有效实现自主高精度定位定向.     

基于太阳敏感器的静止轨道卫星轨道估计方法研究

为解决目前通过星上配置敏感器进行地球同步轨道卫星自主轨道估计的问题，利用太阳敏感器和红外地球敏感器的测量信息进行轨道估计．根据地球静止轨道的特点，结合Hill方程，利用太阳敏感器和红外地球敏感器的测量信息以及轨道的摄动特性，建立导航系统的状态方程和测量方程．数学仿真结果表明，该方法可以较准确地估计出卫星的经度漂移，是一种可行的地球同步轨道卫星自主导航方法．     

基于引力场不对称性的三体系统轨道自主导航

以月球背面的中继通信为背景,提出了基于三体系统引力场不对称特性的星–星测距自主定轨方案。该方案以环月极轨卫星和地–月L2点Halo轨道卫星组成中继通信网,以实现对月球两极和背面的覆盖。通过采集极轨卫星与Halo轨道卫星的测距信息,结合卡尔曼滤波在日–地–月动力学模型下获得两颗卫星的绝对轨道。数值仿真结果表明:本文方法能将导航的位置精度和速度精度分别提高到百米和厘米/秒量级。该自主导航方法还可以扩展到不规则引力场小天体附近星群运动的自主导航。     

Distributed satellite autonomous navigation using X-ray pulsars

Distributed X-ray pulsar-based navigation (DXNAV) is an effective method to realize earth-orbit satellite positioning under weak pulsar signal conditions. In this paper, we propose a new DXNAV method based on multiple information fusion. The DXNAV system principle and the pulse phase estimate Cramér-Rao lower bound are deduced. To suppress the calculation complexity and the error source, the X-ray pulsar photon time-of-arrival detected by each satellite is equivalently converted to the leading satellite directly using the inter-satellite link ranging and starlight angular distance measurement. A high precision estimate model of the pulse phase is built using pulsar standard profile, observed profile, and star-geocentric angular distance from distributed satellites. The estimated pulse phase is real-time supplied to the navigation system, which is established in the form of a deviation equation. The two-stage Kalman filter is designed to estimate the pulse phase in profile histogram bin step and the leader position in real-time step. Compared separately with the maximum likelihood phase estimate method and the celestial navigation method using only the star-geocentric angular distance, the simulation analysis shows that the estimation precisions of position and velocity are improved by 29% and 25%.     

基于星间链路的导航卫星时间自主恢复策略

基于北斗导航卫星星间链路的测距与数传功能，针对自主导航时卫星时频子系统异常导致载荷系统断电重启的情况，提出了一种基于星载计算机自主计时及星间链路误差校正的策略.在载荷系统重启时间内，利用星载计算机守时，并通过十秒稳定度预报晶振频率漂移量的方法，维持星钟在重启时间内的稳定.载荷系统重启后，星载计算机授时给导航任务处理机，通过误差分析计算出总误差.该误差在星间链路建链误差允许范围内，然后通过星间链路对星钟误差进行校正恢复，重新实现星地时间同步.      

北斗导航星座星间通信速率控制方法

北斗导航星座可以通过星间测距和传输链路实现自主定轨和性能增强。导航卫星间进行数据传输时，卫星相对位置时变，传输信道特性也随之不断发生变化。针对导航卫星间传输链路时变特性，提出了一种基于星历的星间通信速率控制方法。在满足传输服务质量的需求下，根据导航卫星自有的高精度星历资源定量计算星间最优通信速率，通过速率的动态调整提高星座的传输效能。仿真结果表明，采用所提方法，北斗导航星座星间传输效能可以提高1.92倍，验证了方法的有效性。      

Autonomous satellite navigation using starlight refraction angle measurements

An on-board autonomous navigation capability is required to reduce the operation costs and enhance the navigation performance of future satellites. Autonomous navigation by stellar refraction is a type of autonomous celestial navigation method that uses high-accuracy star sensors instead of Earth sensors to provide information regarding Earth’s horizon. In previous studies, the refraction apparent height has typically been used for such navigation. However, the apparent height cannot be measured directly by a star sensor and can only be calculated by the refraction angle and an atmospheric refraction model. Therefore, additional errors are introduced by the uncertainty and nonlinearity of atmospheric refraction models, which result in reduced navigation accuracy and reliability. A new navigation method based on the direct measurement of the refraction angle is proposed to solve this problem. Techniques for the determination of the refraction angle are introduced, and a measurement model for the refraction angle is established. The method is tested and validated by simulations. When the starlight refraction height ranges from 20 to 50 km, a positioning accuracy of better than 100 m can be achieved for a low-Earth-orbit (LEO) satellite using the refraction angle, while the positioning accuracy of the traditional method using the apparent height is worse than 500 m under the same conditions. Furthermore, an analysis of the factors that affect navigation accuracy, including the measurement accuracy of the refraction angle, the number of visible refracted stars per orbit and the installation azimuth of star sensor, is presented. This method is highly recommended for small satellites in particular, as no additional hardware besides two star sensors is required.     

新型复合多视场光学敏感器及其导航方法

基于利用四面镜结构实现的复合多视场光学敏感器,给出了一种高精度天文导航方法,即通过四面镜同时观测地球、导航星和折射星,利用卫星、地球、恒星之间的位置关系,实现自主导航。通过研究导航量测信息的获取途径,给出了复合多视场光学敏感器的5种实用工作方式。结合卡尔曼滤波算法,建立了自主天文导航的仿真模型,并对5种工作方式进行了仿真与比较。仿真结果表明:双组直接敏感地平与单组间接敏感地平结合的导航方式精度最高,位置精度达到了10 m量级。     

The influence of orbital maneuver on autonomous orbit determination of an extended satellite navigation constellation

The right ascension of the ascending node is unobservable if only the inter-satellite ranging is used for autonomous orbit determination (AOD) of an Earth navigation constellation. However, if an Earth-Moon libration point satellite is added to the Earth navigation constellation to construct an extended navigation constellation, all the orbital elements can be determined with only the inter-satellite ranging. Furthermore, the extended navigation constellation can provide navigation information for interplanetary probes. For such an extended navigation constellation, orbital control needs to be considered due to the instability of the libration-point satellite orbit. This study concerns the influence of satellite orbital maneuver on the AOD of the extended navigation constellation. An AOD method under orbital maneuver is proposed. A low thrust controller is designed to achieve libration point satellite autonomous orbit maintenance by using AOD results. A navigation constellation consisting of three GPS satellites and one libration point satellite are designed for simulation. The simulation results show that libration point satellites can achieve autonomous navigation and autonomous orbit maintenance by only using inter-satellite ranging information. The rotation drift error of the Earth navigation constellation is also suppressed.     

一种基于太阳震荡时间延迟量测的自主天文导航方法

太阳震荡可以在短时间内引起太阳光强度和光谱线心波长的剧烈变化，通过探测太阳光强度和光谱线心波长并记录时间，可以获得直接接收的太阳光到达时间和经天体反射的太阳光到达时间之间的时间延迟，可以利用时间延迟作为量测量提供航天器的位置信息。提出了一种基于太阳震荡时间延迟量测的自主天文导航方法；建立了基于时间延迟的隐式量测模型，并应用了IUKF方法。仿真结果表明：本文所提出的导航方法，应用在转移轨道上的位置误差和速度误差分别约为3.55 km和0.077 m/s，环绕轨道分别为1.76 km和1.57 m/s。同时也研究了3种因素对导航性能的影响。     

基于图像卷积的地图匹配算法

地图匹配定位是一种主流的车载导航定位方法，其以车辆轨迹数据和路网地图为基础，将车辆位置估计输出到路网地图上。该过程可对车辆定位结果进行修正，是车辆导航、交通诱导、交通预测等应用的基础。针对现有地图匹配算法存在的一些问题，如算法流程依赖路口匹配精度，在较大初始误差场景下寻路正确率较低，以及寻路结果错误易影响后续匹配精度等，提出了一种基于图像卷积的地图匹配方法。利用图像卷积方式对比了车辆轨迹与道路的几何特征，以实现匹配定位，从而确保了初始误差较大场景下的匹配精度，并且避免了由寻路错误所引发的相关问题。     

基于星光角距/激光测距的卫星组合导航方法

为了进一步提高卫星天文自主导航精度,提出了一种利用激光测距辅助的天文组合导航方法。激光测距能够直接获取卫星到地面参考信标的高精度距离信息,在以星光角距为观测量的天文导航系统中引入激光测距辅助数据,可以拓展滤波器观测量的维度,从而改善滤波效果。由于组合导航系统为非线性系统,为避免泰勒展开线性化引起的二阶截断误差,采用UKF滤波方法进行组合导航系统信息融合。仿真结果表明,所提出的组合导航方法能够明显提升导航精度,改善滤波性能。