光力惯性传感技术研究进展

光力惯性传感技术是利用光子与机械振子的相互作用,通过出射光的动量和角动量的变化实现对振子运动状态的监测,进而实现对其受力（矩）,以及（角）速度、（角）加速度测量的新型惯性传感技术。该技术既有高极限精度的原理优势,又有微型化的技术优势,是惯性传感技术的前沿领域,具有极大的发展潜力。首先介绍了基于光阱系统和微腔系统的两类光力惯性技术,分析了其基本工作原理与物理特征;其次介绍了国内外光力惯性传感器件的研究现状;最后对光力惯性技术的发展特点、国内外差距进行了总结,并给出了我国发展光力惯性传感技术的建议。     

空间计量中长度单位和距离测量

长度单位定义是建立在光直线传播、光速在真空中为常数,以及光速各向同性的理论基础上,二维球面上的直线,在三维空间中是弯曲的测地线;三维空间的直线,在四维时空中也是弯曲的测地线。长度单位的定义是否适用四维时空呢？SI秒和SI米的定义适用于全域时空,但使用它们必需明确原时和坐标时的区别。爱因斯坦的狭义相对论以及光速不变原理只适用于惯性系,不适用于非惯性系。本文以转盘上的非惯性坐标系为例,利用广义相对论的坐标变换和时空度规运算,揭示了非惯性坐标系上的时空弯曲和光的非直线传播现象。计算了非惯性坐标系上Sagnac效应对卫星和地面站双向测距的影响,初步研究表明空间测量范围从局域推广到全域的话,诸如引力红移、相对速度效应、Sagnac效应等将会成为空间长度测量不确定度的影响因素,因此空间计量理论必须建立在广义相对论基础之上,用四维时空观念理解空间距离测量问题。     

测量时刻偏差对单星定轨误差的影响分析

为评估测量时刻偏差对单星定轨等效测量误差的影响,根据单星定轨处理策略分析了其理论模型,指出测站接收机的测量时刻偏差由测站时钟钟差以及测量时刻不准确度等组成。试验数据分析表明,测站钟差经一阶多项式拟合后的残差可近似为零均值的测量噪声;数值仿真结果表明,卫星信号发射时刻1ms误差导致GEO、IGSO、MEO三种卫星的等效测距误差分别为006cm、40cm、80cm。     

X-ray pulsar navigation method for spacecraft with pulsar direction error

In order to reduce the impact of the pulsar direction error on the navigation system performance, a novel X-ray pulsar navigation technique is proposed. Through analyzing the system bias caused by the pulsar direction error, it can be seen that the system bias is slowly time-varying. Based on the analysis result, the augmented state unscented Kalman filter (ASUKF), in which the system bias is treated as the augmented state, is designed here to deal with the system bias and estimate spacecraft’s positions and velocities. The simulation results demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed navigation method. The ASUKF-based navigation method for spacecraft is more accurate than the method based on unscented Kalman filter (UKF) in the presence of the pulsar direction error.     

Onboard orbit determination using GPS observations based on the unscented Kalman filter

Spaceborne GPS receivers are used for real-time navigation by most low Earth orbit (LEO) satellites. In general, the position and velocity accuracy of GPS navigation solutions without a dynamic filter are 25 m (1σ) and 0.5 m/s (1σ), respectively. However, GPS navigation solutions, which consist of position, velocity, and GPS receiver clock bias, have many abnormal excursions from the normal error range for space operation. These excursions lessen the accuracy of attitude control and onboard time synchronization. In this research, a new onboard orbit determination algorithm designed with the unscented Kalman filter (UKF) was developed to improve the performance. Because the UKF is able to obtain the posterior mean and covariance accurately by using the second-order Taylor series expansion through the sampled sigma points that are propagated by using the true nonlinear system, its performance can be better than that of the extended Kalman filter (EKF), which uses the linearized state transition matrix to predict the covariance. The dynamic models for orbit propagation applied perturbations due to the 40 × 40 geo-potential, the gravity of the Sun and Moon, solar radiation pressure, and atmospheric drag. The 7(8)th-order Runge–Kutta numerical integration was applied for orbit propagation. Two types of observations, navigation solutions and C/A code pseudorange, can be used at the user’s discretion. The performances of the onboard orbit determination were verified using real GPS data of the CHAMP and KOMPSAT-2 satellites. The results of the orbit determination were compared with the precision orbit ephemeris (POE) of the CHAMP and KOMPSAT-2 satellites.     

基于Hadamard方差的导航星座自主时间同步算法研究

文章在总结国内外研究成果基础上,针对GPS铷钟虽然短期稳定性较好,但采用Allan方差描述铷钟频率稳定性时,其钟差状态方程仅为两参数,在较长平滑时间里存在时钟漂移和甚低频噪声的影响,使噪声特性淹没或估值不收敛的缺陷,引入Hadamard方差建立了三参数系统状态误差模型,通过三次采样方差从模型上解决了线形漂移和甚低频噪声的影响问题。在时钟系统状态模型和星间双向测量方程建模基础上,给出了工程实用的标准Kalman基本滤波方程。数值分析仿真表明,采用Hadamard方差描述时钟频率稳定性显著提高星载时钟自主同步精度,从而克服了Allan方差描述产生的频率漂移影响较大和甚低频噪声不收敛的问题。     

基于SOC的卫星姿轨控系统通用电模拟器设计

在某型卫星地面电联试过程中,对该卫星的姿态轨道控制系统进行接口分析及信号统计,针对其接口复杂性、信号多样性的特点,提出采用片上系统(Systemona Chip,SOC)芯片对所有部件模拟器进行通用化设计。文中给出了该型卫星通用型电模拟器硬件平台设计方案以及陀螺、反作用轮和通用接口模块的硬件配置说明,针对该型卫星姿态轨道控制系统电联试要求,对所有部件按真实接口配置成电模拟器,形成通用接口箱、敏感器电模拟器箱和执行机构电模拟器箱,并通过CAN(Controller Area Network)总线接入闭环仿真,对太阳捕获、地球捕获及正常模式进行了仿真测试,仿真结果表明通用电模拟器满足设计要求,对其他卫星的地面电联试有很好的参考价值。     

在轨服务航天器导航系统仿真研究

在轨服务航天器（On\|orbit Servicing Spacecraft—OSS）具有重要的军事和民用价值。 分析了OSS的导航任务,给出了导航系统总体方案并设计了导航工作模式。构建了OSS导航仿 真系统的总体框架,分析了OSS导航仿真系统组成及仿真支撑环境,基于MATLAB／RTW仿真平 台开发了OSS导航数字仿真软件。对数据时间同步技术、导航模式切换技术、推力分配算法 等关键技术进行了分析。
     

基于IMU辅助的高动态GPS信号捕获算法

高动态环境存在较大的多普勒频移,传统的GPS信号捕获方法捕获时间较长。为了快速捕获到信号,提出将惯性测量单元(InertialMeasurementUnit,IMU)辅助与快速傅里叶变换(FFT)相结合的快速捕获算法。该算法通过外部IMU的位置、速度辅助,预先估算高动态载体产生的多普勒频移,缩小频率搜索范围;利用二维FFT方法同时搜索码相位和多普勒频率,降低计算复杂度,加快捕获速度。仿真结果表明该算法可以显著减少捕获时间,提高捕获性能。     

微型惯导系统在余度配置时的转动标定技术研究

余度技术是提高惯性导航系统性能的一种重要手段。对微小型惯性组合导航系统中的惯性传感器多余度配置技术进行了研究,开发了MEMS惯性器件构成的微型余度配置惯导系统,分析了微小型惯性组合导航系统的特点和误差特性,并经过测试分析,建立了惯性传感器的误差模型。针对余度配置系统静态标定精度低的问题,提出了六位置转动标定算法,该算法只需要一个单轴速率转台就可以标定出IMU误差参数,并对采用低精度陀螺的惯性系统标定具有通用性。经过实际系统测试分析,误差补偿后的微型余度配置惯导系统的系统导航精度明显提高,验证了算法的有效性。