全球导航星座星间链路技术发展建议

美国全球定位系统（GPS）的Block IIR和Block IIF系列导航卫星安装了UHF频段的星间链路收发设备,未来的GPS Ⅲ系列导航卫星将用Ka频段星间链路替代UHF频段星间链路,提高星间数据通信容量,增强抗干扰能力;俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）的新一代GLONASS-K系列导航卫星开始安装S频段星间链路收发设备;欧洲的伽利略（Galileo）卫星导航系统也在规划全球导航星座的星间链路体系;我国北斗（Compass）卫星导航系统正处在由区域覆盖向全球覆盖的过渡阶段,全球星座的星间链路正处在多种系统体制的抉择中。文章在对国外各种星间链路研究的基础上,从导航星座星间链路需求和特点出发,提出建议：1）建设高频段星间链路;2）加强星间天线与卫星总体的联合设计;3）星间网络协议要具有灵活性;4）尽可能保持每颗卫星的星间链路设备状态一致。文章考虑了现有国内技术储备和国外未来技术发展方向,提出的观点可以作为我国全球卫星导航系统对星间链路选择的参考,对我国Compass系统建设技术先进的星间链路有一定的指导意义。     

GPS星间链路技术及自主导航算法分析

介绍和分析了美国GPS系统星间链路设备配置和链路协议,并阐述了星间链路工作模式,同时,描述了GPS卫星采用的基本自主导航算法,给出了线性化卡尔曼滤波器状态向量和导出的距离测量公式,可为进一步开展仿真验证工作提供参考。     

利用GNSS星间链路的航天器定轨方法研究

针对利用全球卫星导航系统(GNSS)星间链路实现用户航天器定轨时存在的链路资源有限问题,构建基于GNSS星间链路的用户航天器定轨模型,设计了应用流程,重点研究了星间链路测量频度、可建立链路数量等链路规划模式对用户航天器定轨结果的影响,并分别针对高轨用户航天器和中低轨用户航天器进行仿真分析和试验验证。结果表明:用户航天器与GNSS卫星建立星间链路的频度越高、数目越多,动力学法轨道改进的效果越好;对高轨用户航天器采用广播星历,即使每6h只有1条观测链路,也可以获得40m以内的定轨精度;对低轨用户航天器采用精密星历,当每次观测链路增加到5条时,基本可以获得1m以内的定轨精度。     

一种导航星座星间链路拓扑设计方法

利用星间测距和通信实现卫星自主导航是下一代导航星座的发展方向之一.为了确定星间测距和通信链路的网络拓扑结构,对walker24/3/2星座的卫星之间几何可见性、卫星天线之间的可见性进行了研究,给出了可见性判断条件,并针对三条轨道相互垂直的情况,推导了星间几何距离随时间变化的公式.对天线扫描区域为±60°对地圆锥的情况进...     

导航星座星间链路运行管理模式研究

导航星座星间链路是我国首个网络化的星间链路,文章结合导航星座星间链路运行管理的实践,明确了星间链路运行管理的概念、内涵、功能等;从导航星座星间链路运行和管控的特点出发,对运行管理的模式及各模式下的场景进行了精细化设计和定义;分析了导航星座星间链路运行管理模式之间、场景之间的转化关系和转化条件,明确了各种模式下星间链路运行管理的重点内容。通过选取常规服务模式下节点故障处置恢复事件进行分解,证明星间链路的精细化运行管理有力地支持了导航星座的高效稳定运行。此外,基于导航星座星间链路运行管理的经验,提出了星间链路运行管理的一体化、网络化、服务化的发展方向。     

基于X射线脉冲星和星间链路的导航星座自主导航仿真研究

主要对基于X射线脉冲星和对基于星间链路的导航星座自主导航方法进行了仿真研究.同时提出了基于2种导航方法相融合的新方法,仿真研究证明两者融合的导航方法有效提高了位置估计精度,为导航星座自主导航研究提供了一种新的思路和实现途径.     

导航星座星间链路信号捕获搜索策略研究

针对导航星座星间链路信号动态范围大、捕获性能要求高之间的矛盾,利用星历信息辅助信号捕获。在此基础上,分析了信号捕获串行搜索、码并行搜索和频率并行搜索的计算代价,给出了不同信号体制和星历误差下各搜索策略对应的运算量表达式,并结合典型的应用场景进行了算例分析。分析结果表明星间信号捕获在星历误差较小时采用串行搜索策略具有最少的计算量,在星历误差较大时采用码并行搜索策略计算量最少。     

一种兼顾卫星导航系统星间观测及通信的链路分配算法

卫星导航系统星间采用点波束建立星间链路时,由于星上波束数量小于可建立星间链路的卫星数量,因此便产生了如何有效分配有限波束来建立星间链路的问题。针对该问题首先利用星座运行的周期性提出了一种适用于星间观测及星间通信的拓扑处理方式,并以该拓扑处理方式为基础提出了一种链路分配算法。算法在保证星间观测数量最大化的前提下,以降低整网通信代价为优化目标,尽管为了保证星间观测数量会不可避免地导致通信性能的部分损失,但是仿真结果表明算法的性能整体上优于铱星系统所采用的网状链路分配方法的性能。     

航天器的自主导航技术

本文首先总结航天器自主导航技术的发展史，在此基础上分折了目前几种候选的自主导航系统，对比了它们的性能和优缺点。然后介绍了自主导航技术及系统组成规律。着重介绍了载人飞船自主导航系统的组成，自主导航的算法。最后提出了发展我国飞船自主导航系统的建议。     

星座自主导航系统设计与实现

基于星间测量的星座自主导航系统的设计与实现，方案中针对计算量过大问题，引入分组并行机制。在充分分析卫星轨道动力学的基础上，利用卫星网的网形约束进行整网平差，首次提出动力学和几何法相结合的自主导航算法。通过实际GPS数据进行仿真与检验，仿真结果表明：该方法精度高，满足卫星星座自主生存的要求，设计方案可行。     

基于紫外敏感器的卫星自主导航方法研究

研究了卫星利用CCD紫外敏感器进行自主轨道确定的方法。敏感器通过地球紫外图像提供地心方向矢量及姿态误差信息进而确定卫星轨道。采用Unscented卡尔曼滤波算法,对紫外敏感器测量精度、姿态误差、部分轨道参数以及地球模型对导航精度的影响进行了仿真验证。仿真结果表明本方法具有较高的定轨精度,其导航误差主要取决于紫外敏感器测量精度和卫星姿态误差。     

基于日地月方位信息的月球卫星自主导航

采用自主导航技术，可以降低月球卫星的任务成本，提高其生存能力。现研究了利用太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器测量出的卫星-太阳、卫星-地球和卫星-月球方向矢量作为观测量，采用迭代最小二乘方法、定历元时刻的卫星状态，并以轨道预报的方式实现月球卫星的自主导航。对该自主导航算法进行了数学仿真，分析比较了敏感器精度、部分轨道参数等因素对定位精度的影响，总结了其变化规律。最后对比了迭代最小二乘方法与扩展卡尔曼滤波的导航仿真结果，结果表明前者具有更高的精度。     

利用雷达高度计及星敏感器的多处理器卫星导航

鉴于当前单一处理器导航计算机结构给导航算法带来的约束及并行多处理器技术的日益成熟，提议卫星导航采用两个处理器并行的计算机结构，将卫星自主导航工作中轨道状态估计和状态预报分外在不同的处理器上处理。依据这一分工思路，提出近地海洋卫星利用雷达高度计及星敏感器实现自主导航的方法，并给出一个简单的导航模型及导航算法。通过计算机仿真检验了利用雷达高度计及星敏感器为近地海洋卫星提供导航的可行性，也验证了导航结构的适用性。     

考虑月球扁率修正的月球卫星自主导航

针对月球扁率对月球紫外敏感器的月心方向矢量确定的不利影响,研究了月球紫外敏感器的测量原理和敏感到月平边缘时满足的几何约束,提出了一种考虑月球扁率的月心矢量确定方法。并进一步的结合地球敏感器和太阳敏感器的测量信息,研究了基于日地月方位信息的月球卫星自主轨道算法,并评估了月球方位确定算法对导航精度的影响。仿真结果表明,在太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器的精度分别为0.02°(3σ)、 0.05°(3σ) 和0.1°(3σ)的假设下,考虑月球扁率修正的月球卫星的自主导航位置精度能达到300m(3σ),导航速度误差能达到0.6m/s(3σ), 从而保证了环月卫星的导航精度。     

一种基于磁强计的卫星自主导航方法研究

以地磁场强度矢量的模为观测量,将Unscented卡尔曼滤波(UKF)用于近地卫星的磁测自主导航。给出了包括采样点生成、时间更新和量测更新的滤波模型,以及卫星瞬时轨道根数的计算公式。仿真结果表明,UKF滤波方法优于扩展卡尔曼滤波(EKF),精度更高。     

利用雷达高度计的卫星自主导航

介绍了分别采用斜装天线的雷达高度计，以及雷达高度计与其他敏感器组合实现卫星导航的基本原理。分析了三种不同的雷达高度计组合方案。研究认为影响雷达高度计自主导航精度的关键因素是地形起伏，并由此提出了一个采用雷达高度计、红外地平仪、CCD星敏感器和惯性测量组件的适于近地海洋卫星导航系统组成的设计。     

双层规划求解兼顾测量与通信的星间链路设计

通过研究当前GPS下时分多址（TDMA）体制星间链路方案,并在分析星间链路测量和通信新需求的基础上,提出改进的分时体制星间链路方案,保证了测距和通信的同时隙执行。针对兼顾星间测量和通信的星间链路设计这一多目标优化问题,考虑测量与通信之间的依赖关系,构建双层规划模型求解,上层对星间测量进行优化,下层对星间通信进行优化,并分别设计上层启发式星间测量链路贪婪搜索分配算法（RL-HGSA）和下层基于全局“邻域”搜索的星间路由优化算法(ROA-SGN)。仿真算例表明,根据本文模型和算法构建的星间链路,星间测量链路利用率达到100%,星间通信采用最短时间最少跳数(MTMJ)的路由策略更优。     

基于GPS的低轨伴飞卫星自主导航轨道确定

对基于EKF算法的相对导航滤波器和基于全球卫星定位系统(GPS)伪距测量的伴飞星定轨进行了研究。用几何法与相对动力学方法联合获得目标星轨道信息,给出了伴飞卫星伪距测量定位的模型。仿真结果表明:该定轨方法可用于低轨卫星实时定位导航,定轨精度较高。