Novel closed-loop approaches for precise relative navigation of widely separated GPS receivers in LEO

This paper deals with the relative navigation of a formation of two spacecrafts separated by hundreds of kilometers based on processing dual-frequency differential carrier-phase GPS measurements. Specific requirements of the considered application are high relative positioning accuracy and real-time on board implementation. These can be conflicting requirements. Indeed, if on one hand high accuracy can be achieved by exploiting the integer nature of double-difference carrier-phase ambiguities, on the other hand the presence of large ephemeris errors and differential ionospheric delays makes the integer ambiguities determination challenging. Closed-loop schemes, which update the relative position estimates of a dynamic filter with feedback from integer ambiguities fixing algorithms, are customarily employed in these cases. This paper further elaborates such approaches, proposing novel closed loop techniques aimed at overcoming some of the limitations of traditional algorithms. They extend techniques developed for spaceborne long baseline relative positioning by making use of an on-the-fly ambiguity resolution technique especially developed for the applications of interest. Such techniques blend together ionospheric delay compensation techniques, nonlinear models of relative spacecraft dynamics, and partial integer validation techniques. The approaches are validated using flight data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission. Performance is compared to that of the traditional closed-loop scheme analyzing the capability of each scheme to maximize the percentage of correctly fixed integer ambiguities as well as the relative positioning accuracy. Results show that the proposed approach substantially improves performance of the traditional approaches. More specifically, centimeter-level root-mean square relative positioning is feasible for spacecraft separations of more than 260 km, and an integer ambiguity fixing performance as high as 98% is achieved in a 1-day long dataset. Results also show that approaches exploiting ionospheric delay models are more robust and precise of approaches relying on ionospheric-delay removal techniques.     

基于多余观测分量的整周模糊度可靠性检验方法

针对常规模糊度检验三步法中存在的错误模糊度整数解漏检的情况,分析了错误整周模糊度、观测值残差及多余观测分量矩阵之间的内在联系,阐述了参考星变化对多余观测分量矩阵主对角线元素的影响,进而提出了一种基于多余观测分量的整周模糊度可靠性检验方法。该方法根据多余观测分量主对角线占优原则实现部分卫星的模糊度可靠性检验。对于多余观测分量主对角线不占优的卫星,利用多余观测分量绝对值最大的情况进行整周模糊度可靠性检验,从而完成所有卫星的模糊度可靠性检验。     

海基JPALS的多参考一致性检验算法

针对舰载参考站的移动特性提出了海基联合精密进近着陆（舰）系统（JPALS）的多参考一致性检验（MRCC）算法。首先,利用舰船上的惯导系统输出的姿态信息和舰船尺寸测量数据,将每个参考站的原始伪距和载波相位观测量从其天线位置转换到舰船参考点上;然后,对转换后的各参考站几何无关组合观测量进行均值滤波,得到其宽巷模糊度估计值;最后,计算转换后的各原始观测量和宽巷模糊度估计值的B值。在无故障情况下,这些测量值的B值分布在一定范围（阈值）内,但在参考站故障、严重多径或无线电干扰等情形下,B值可能超出阈值。通过模拟实验采集数据,并计算B值幅度和阈值,结果表明,通常情况下各观测量的B值幅度很小,当某个参考站的接收测量值出现异常时,可以检测到其B值超过阈值。研究表明,该算法满足海基JPALS的多参考一致性检验完好性风险指标要求。      

一种基于压缩感知的高分辨率宽测绘带合成孔径雷达成像算法

针对高分辨率宽测绘带合成孔径雷达（High Resolution Wide Swath Synthetic Aperture Radar, HRWS SAR）在俯仰向波束形成受地面目标高程影响造成增益损失以及在方位向非均匀采样造成模糊的问题,文中提出了一种基于压缩感知（Compressed Sensing, CS）技术的HRWS SAR成像算法。根据SAR系统和平台参数建立精确的观测模型后,通过求解优化问题直接准确地估计出了在地面高程变化影响下的目标来波方向（Direction of Arrival, DOA）并重建了非均匀采样下的方位向观测场景,从而实现了HRWS SAR在俯仰向和方位向的非模糊成像。仿真结果表明了本文算法的有效性。     

基于MIMO圆阵雷达的二维DOA估计新算法

基于对均匀圆阵导向矢量的分析,将四元均匀圆阵作为多输入多输出(MIMO)雷达的发射阵,通过构造相应的二阶统计量并对其进行联合对角化获得了目标方位角和俯仰角的闭式解,以实现存在角度兼并时目标的二维到达方向(DOA)的估计,并保持原DOA矩阵方法无需二维谱峰搜索和参数配对等优点。仿真结果证明算法正确、可行。     

方位多波束星载SAR系统的模糊特性研究

文章在介绍方位多波束合成孔径雷达（SAR,Synthetic Aperture Radar）系统的基本原理的基础上,深入分析了方位多波束SAR系统模糊信号的来源。从系统总体角度给出了方位多波束SAR系统距离模糊的一种度量方法及计算公式,并给出了仿真计算实例。文章的分析结果对高分辨宽测绘带SAR系统设计具有一定的参考价值。     

星间链路测量中的载波相位测距算法研究

运用双频伪码/载波相位组合方式求解整周模糊度的方法实现星间链路中的载波相位测距。在双频伪码/载波相位组合原理的基础上,对不同组合方式下的测量误差进行分析,并研究了增大载波频率时的载波相位测距手段。仿真结果表明,算法能得到较准确的整周模糊度值和精度较高的测距值,实现了载波相位高精度测距。     

一种基于有限记忆算法的干涉仪解模糊纠错方法

针对在通道相位误差较大时常规干涉仪测角解模糊算法频繁出错的问题,提出了一种基于有限记忆算法的干涉仪解模糊检测与纠错方法。利用干涉仪逐次递推测角算法解模糊的结果估计出角度和整周模糊值的初始值,在此基础上进行角度和整周模糊值的有限记忆递推,识别并纠正逐次递推测角算法中出错的解模糊测角数据,期望得到正确的解模糊结果,以保证后续角度数据的处理精度。仿真结果表明,有限记忆纠错算法能够有效地识别并纠正逐次递推解模糊测角算法中存在的模糊值出错问题,降低干涉仪解模糊的出错概率。此方法对其它体制的相位干涉仪测角解模糊纠错也具有一定指导意义。     

一种新的GPS单频单历元定姿算法研究

将全球卫星定位系统(GPS)单历元的L1波段的载波相位和码相位观测方程进行组合求解整周模糊度的浮点解。基于对浮点解与固定解间关系的分析,提出了一种将低精度浮点解映射到固定解的方法,降低了最小二乘降相关平差(LAMBDA)算法对高精度浮点解的依赖性,避免了多个历元求解高精度浮点解,实现了单频、单历元的整周模糊度估计。实际数据测试结果表明:算法的成功率大于95%,能有效地实时解算动态姿态。     

姿控式直接侧向力与气动力复合控制策略设计

针对自旋导弹直接侧向力与气动力复合控制问题,提出一种分阶段复合控制策略,该策略充分考虑了直接侧向力离散控制和空气舵连续控制的特点,将弹体迎角和侧滑角响应过程分为上升段和保持段以实现快速精确跟踪。上升段考虑固体脉冲发动机的快响应特性,利用整数线性规划(ILP)得到了需要开启的脉冲发动机数量,产生直接侧向力控制导弹快速建立迎角和侧滑角。保持段则基于动态逆控制和自抗扰控制技术,通过空气舵控制迎角和侧滑角稳定在期望值,以克服侧向喷流干扰效应和大迎角飞行带来的非线性耦合的影响。仿真结果表明,依靠直接侧向力与气动力的分时串联作用,可以有效地抑制复合系统的外扰和模型不确定性的影响,显著加快拦截导弹的过载响应速度。