基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位

针对分布式SAR卫星编队星间基线的高精度确定问题, 提出了基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位方法. 根据CDGPS原理及基于轨道动力学模型的星间相对定位原理,在CDGPS测量的基础上, 引入轨道动力学模型提供的先验约束信息, 对长弧段的观测数据进行解算, 克服了运动学逐点解算方法在观测几何较差或观测数据不足情况下无法应用的缺点. 此方法能够有效抑制测量中的随机误差, 提高相对定位精度, 提供了一种可实现mm量级星间基线确定的技术途径. 通过仿真计算验证了动力学方法的有效性. 计算结果表明, 动力学方法可以显著提高相对定位精度. 相对于运动学方法, 前者L1固定解的精度提高了68%, 而消电离层固定解的精度提高了95%.      

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度，传统几何定轨法精度受限，只能达到亚米级，而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解，定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能，利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品，对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算，与事后精密轨道结果进行比较，分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据，切向与径向的定轨精度可达2cm左右，法向为5cm左右，较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。     

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

联合CDGPS技术和星间相对测量进行编队星座状态确定

以空间圆3星编队星座为对象,建立了联合GPS载波相位差分(Carrier phase Differential GPS,CDGPS)和星间相对测量进行编队星座状态确定的数学模型;利用高精度的星间相对测量信息给星间公里级基线提供厘米级约束,极大地缩小了星间单差模糊度的搜索空间,进而在卫星无需机动的情况下采用Bayes最小二乘法快速解算出星间GPS载波相位单差整周模糊度;最后数学仿真证明了方法的有效性,结果表明卫星间相对位詈确定精度达10^-2m．卫星姿态确定精度达10^-3rad．     

EKF/UKF在编队飞行卫星GPS相对导航中的应用

 　航天器编队飞行协调工作,必须精确确定各航天器的相对位置和相对速度,即进行编队飞行相对导航。将扩展卡尔曼滤波(EKF,extended Kalman filter)和非线性滤波unscented Kalman filter(UKF)算法同时应用于编队飞行卫星的载波相位差分GPS相对导航。EKF与UKF算法原理不同,UKF算法的精度比EKF的精度高。在实际应用中,可以将两种算法组成互为备份的相对导航滤波器,这样可提高滤波系统冗余性能。     

基于CEI定轨中整周模糊度问题处理方法的研究

相位干涉测量是一种被动测角跟踪方法, 其中的中短基线相位干涉测量(CEI)具有测角精度高、基线短、布网灵活、实时性好等特点. 分析采用CEI对GEO卫星定轨时初始整周模糊度解算的可行性, 由于中继卫星的初始轨道精度较低, 对其定轨时必须首先解决模糊度问题. 主控站具有测距功能时, 利用精度较高的距离观测量来计算整周模糊度; 主控站没有测距功能时, 提出了固定模糊度参数的参数估计方法. 仿真计算表明, 系统误差小于1.0 m时该方法效果较好. 给出了该方法对星下点在中国上空一定经度带上的GEO卫星网的整体定轨能力, 当系统误差为0.1 m时, 110°E卫星的迹向精度达到25 m, 对于80°E, 140°E卫星, 迹向精度分别达82 m, 34 m.      

定常基线卫星编队构形设计

采用动力学法研究了卫星编队的相对运动特性,根据星间相对基线的定义,仔细推导了星间相对基线与卫星编队构形参数之间的关系,并根据此关系定义了一种可以较好地反映星间相对基线运动稳定性的指标,即稳定度.在一个轨道周期内,分析了三种特殊卫星编队的最大水平基线和最大垂直基线在相同稳定度下的稳定时间.结果表明,这三种编队构形不能满足水平基线和垂直基线同时定常的要求.由此出发,重点研究了可以使星间相对基线定常的条件,并得出了相应的结论.水平基线定常的充要条件为三个约束关系式,垂直基线定常的充要条件为两个约束关系式.由此条件同时可知,两星编队无法满足水平基线和垂直基线同时定常的要求,因此,至少需要三星编队才可以达到此要求.最后,按照本文所得结论,设计了一个水平基线和垂直基线同时定常的三星编队.利用成熟软件对设计结果进行了分析,分析结果表明了本设计方法的正确性.      

附加Doppler预报坐标约束的模糊度 动态解算新方法

利用GPS(Global Positioning System)相位观测进行动态定位的主要困难就是法方程不适定问题(秩亏或病态问题),导致模糊度浮动解及其协方差阵不准,以此构造的模糊度搜索范围比较大,使得模糊度的搜索非常困难.提出利用Doppler高精度测速预报近似坐标并对其附加约束,解决法方程求逆中的不适定问题,提高模糊度浮动解及其方差阵的准确性,缩小模糊度的搜索范围,提高模糊度搜索的成功率.结果表明,短基线情况,新方法在模糊度动态解算中取得了明显效果.      

精密单点定位部分模糊度固定方法

提出一种新的模糊度固定方法,并把算法应用到精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)中,将模糊度进行选择固定,以实现恶劣环境下快速、有效获得较高PPP固定解的目的。该方法以模糊度固定成功率和Ratio因子为约束条件,基于最小方差优先固定的模糊度子集选取方法实现PPP中模糊度的部分固定。算例从模糊度固定可靠性、收敛速度以及PPP固定解精度等方面对部分模糊度固定方法进行了分析。结果表明,该方法使得PPP模糊度固定的平均可靠性比传统固定方法提高了近一倍、参数解算的平均收敛时间缩短了1/4左右。因此,更适合在初始阶段观测信息较少或残余误差较大而难以固定全部模糊度的时候,快速获得较高精度的PPP固定解。     

基于MLAMBDA的BDS/GPS单频RTK性能分析

GNSS RTK技术以其高精度、高效率、实时性的优点，被广泛应用于航空航天等领域.目前双频RTK技术已非常成熟并且应用较广.相比于双频，单频GNSS RTK在数据质量控制、定位误差处理等方面存在难点.因此单频RTK服务精度可能会受到限制，其定位性能有待研究.本文基于扩展卡尔曼滤波模型，通过MLAMBDA模糊度搜索方法和Ratio检验法，结合实测数据，对比分析BDS，GPS，BDS/GPS三种模式下的单频RTK定位性能.实验证明在静态场景下，三种模式的单频RTK定位精度都在厘米级，可满足高精度定位需求；动态场景下三种模式的模糊度固定率都在70%以上，可满足日常定位需求.在静态及动态应用场景下，北斗的模糊度固定率最高，模糊度解算所用时间短，能实现快速RTK定位.      

X射线脉冲星导航在行星际轨道上的应用

X射线脉冲星导航技术被认为是新一代导航技术,非常适合于行星际探测.深入分析了利用搜索空间方法求解飞行器真实位置和估计位置相位差的脉冲整周期模糊数,解决了相位导航方法存在的周期模糊数问题.利用轨道动力学模型估计飞行器的位置,并以真实位置和估计位置上的脉冲相位之差作为反馈进行偏差校正.仿真表明,X射线脉冲星导航方法在行星际轨道上是可行和高效的.     

Towards PPP-RTK: Ambiguity resolution in real-time precise point positioning

Integer ambiguity resolution at a single station can be achieved by introducing predetermined uncalibrated phase delays (UPDs) into the float ambiguity estimates of precise point positioning (PPP). This integer resolution technique has the potential of leading to a PPP-RTK (real-time kinematic) model where PPP provides rapid convergence to a reliable centimeter-level positioning accuracy based on an RTK reference network. Nonetheless, implementing this model is technically subject to how rapidly we can fix wide-lane ambiguities, stabilize narrow-lane UPD estimates, and achieve the first ambiguity-fixed solution. To investigate these issues, we used 7 days of 1-Hz sampling GPS data at 91 stations across Europe. We find that at least 10 min of observations are required for most receiver types to reliably fix about 90% of wide-lane ambiguities corresponding to high elevations, and over 20 min to fix about 90% of those corresponding to low elevations. Moreover, several tens of minutes are usually required for a regional network before a narrow-lane UPD estimate stabilizes to an accuracy of far better than 0.1 cycles. Finally, for hourly data, ambiguity resolution can significantly improve the accuracy of epoch-wise position estimates from 13.7, 7.1 and 11.4 cm to 0.8, 0.9 and 2.5 cm for the East, North and Up components, respectively, but a few tens of minutes is required to achieve the first ambiguity-fixed solution. Therefore, from the timeliness aspect, our PPP-RTK model currently cannot satisfy the critical requirement of instantaneous precise positioning where ambiguity-fixed solutions have to be achieved within at most a few seconds. However, this model can still be potentially applied to some near-real-time remote sensing applications, such as the GPS meteorology.     

基于幅度和相位联合的ATI动目标检测新方法

分析了影响SAR-ATI动目标检测干涉相位图中点幅度和相位分布的因素——包括雷达噪 声、杂波能量、地面RCS起伏以及成像时的旁瓣等.针对SAR-ATI检测时虚警概率过高问题, 基于幅度门限和相位门限联合动目标检测处理,提出了一种改进方法:首先对SAR每一个 通道的图像域中相位被污染的点作一次关于能量梯度的预滤波,在滤除了干涉相位图中相位 失效的点之后,根据雷达的固有噪声及干涉相位分布图,在概率意义下设定滤波门限进行 自适应幅度滤波;最后采用相位门限进行检测处理,有效降低了虚警概率;同时给出一个 由干涉相位图中统计量拟合出的动目标检测曲线经验公式,能够明显降低在低杂噪比条件下 的虚警概率.仿真结果验证了此方法的有效性.      

新的GPS单频单历元定姿算法

LAMBDA算法依赖于初始的模糊度浮点解,但仅用载波相位观测方程需要多个历元才能获得浮点解,将导致初始化时间过长.针对这一问题,对GPS(Global Positioning System)单历元的载波相位单差方程进行特殊变换,将未知的整周模糊度看成噪声,从而构造出新的观测方程,和原始的观测方程进行组合求解,克服了仅用载波相位双差观测方程因为亏秩而无法在单历元获得浮点解的缺点,解决了初始化时间的问题.通过深入研究浮点解和固定解之间的关系,提出一种将低精度浮点解映射到固定解的方法,降低了LAMBDA算法对高精度浮点解的依赖性,避免了用多个历元获取浮点解的高精度,从而实现了单频、单历元的整周模糊度估计.通过实际测试,该算法成功率高于97%,能够有效地用于实时动态姿态解算.      

Predicting atmospheric delays for rapid ambiguity resolution in precise point positioning

Integer ambiguity resolution in precise point positioning (PPP) can shorten the initialization and re-initialization time, and ambiguity-fixed PPP solutions are also more reliable and accurate than ambiguity-float PPP solutions. However, signal interruptions are unavoidable in practical applications, particularly while operating in urban areas. Such signal interruptions can cause discontinuity of carrier phase arc, which introduces new integer ambiguities. Usually it will take approximately 15 min of continuous tracking to a reasonable number of satellites to fix new integer ambiguities. In many applications, it is impractical for a PPP user to wait for such a long time for the re-initialization. In this paper, a method for rapid ambiguity fixing in PPP is developed to avoid such a long re-initialization time. Firstly, the atmospheric delays were estimated epoch by epoch from ambiguity-fixed PPP solutions before the data gap or cycle slip occurs. A random walk procedure is then applied to predict the atmospheric delays accurately over a short time span. The predicted atmospheric delays then can be used to correct the observations which suffer from signal interruptions. Finally, the new ambiguities can be fixed with a distinct WL-LX-L3 (here LX denotes either of L1, L2) cascade ambiguity resolution strategy. Comprehensive experiments have demonstrated that the proposed method and strategy can fix zero-difference integer ambiguities successfully with only a single-epoch observation immediately after a short data gap. This technique works even when all satellites are interrupted at the same time. The duration of data gap bridged by this technique could be possibly extended if a more precise atmospheric delay prediction is found or on-the-fly (OTF) technology is applied. Based on the proposed method, real-time PPP with integer ambiguity fixing becomes more feasible in practice.     

短基线约束条件下的整周模糊度二维搜索算法

通过对基线仰角和方位角的搜索,在二次残差最小的条件下确定整周模糊度。建立了搜索模型,论述了搜索原理及其应用的具体过程,推导了粗搜索和精搜索的步长。通过试验与最小二乘降相关平差(Least-squares Ambiguity Decorrelation Adjustment,LAMBDA)算法进行分析比较,验证了新方法的正确性及可靠性,得到了1cm的基线精度,0.6°的仰角和0.4°的方位角精度,且算法简单,搜索效率高,适用于载体的姿态测量。     

PCB红外热像辐射率校准的非线性滤波方法

在印制电路板(PCB)的红外辐射诊断中,为了获得PCB表面温度的真实分布,须对PCB红外热像进行辐射率校准.将PCB表面温度的测量波形看作真实温度分布与辐射率分布的混合波形,提出一种非线性滤波方法,利用二者连续性的差异将其区分开来.讨论了作为该方法关键步骤的红外热像突变点检测的小波变换实现问题.实验结果表明该方法能够准确地估计PCB表面温度的真实分布波形.该方法还可以用于PCB红外热像的热源辨识以及对未知材料的辐射率估计中.     

自适应粒子滤波在紫外导航中的应用

基于紫外敏感器的自主导航系统是典型的非线性系统,针对一般粒子滤波缺乏在线自适应调整能力等问题,文章提出了将基于正交性原理的自适应强跟踪滤波器(STF)和UKF相融合产生重要密度函数,应用于基于紫外敏感器自主导航粒子滤波器新方法,该方法通过UKF构造粒子群,对粒子群中的每一个粒子的每一个sigma点用STF进行更新,使得算法自适应。为了说明算法的有效性,结合模拟的轨道数据和测量数据进行了仿真,并与其他滤波方法的仿真结果进行了对比,结果说明了所提算法的有效性。