GPS技术用于编队卫星状态整体确定方案设计

编队卫星的控制和应用需要确定编队卫星的运动状态,包括卫星绝对的和相对的位置、姿态以及钟差.本文设计联合利用GPS和一种类似GPS的载波相位和伪码交联测距技术的方案,快速实现星间GPS载波相位差分的整周模糊度的确定,进一步提高相对状态确定的精度,使相对位置精度达到厘米级、相对姿态角精度达到角分级.     

编队飞行航天器测量通信一体化系统的交互链路技术

实现航天编队飞行需要有测量系统测定队列成员的相对位置、姿态和时间,还需要通信系统在编队成员间交换工程数据和科学实验数据。测量系统和通信系统都是实现航天编队飞行的核心技术。基于卫星导航技术,将卫星导航接收机、伪卫星发射机、伪码扩频序列通信和测距链路及相关数据处理模块组合,组成射频收发器,可以构成完成上述功能的测量和通信一体化系统。文中根据国外已有的实践经验阐明射频收发器设计中的交互链路设计技术,包括关于链路拓扑的考虑是采用星形网络还是网形网络;采用相控阵波束形成、分路多路径接收和多用户检测技术;采用半双工码分多址的多路传输体制和打包的信号结构;既可用兼用GPS和交互链路的相对导航,也可只用交互链路测距实现相对定位导航;在编队内外的星间通信乃至星地通信中引入移动IP功能等。航天器本身必须具备适应空间环境的耐辐射能力。     

GPS在航天器编队飞行任务中的基础性作用

GPS正在改变航天器的测控格局 ,拓宽卫星和星座控制技术 ,从而构成空间编队飞行定时、测量和控制的技术基础。国内外已开发出对航天器编队飞行任务进行精确定位和导航的GPS方案。GPS将充当一大类多航天器编队飞行任务的导航系统。在当前开发的空间编队飞行技术中 ,编队航天器的测量和控制、星间链路通信、任务综合与验证、编队飞行试验台、分散式控制、高轨道航天器的相对导航等 ,无一不与GPS息息相关     

基于GPS测量的编队飞行的主星轨道对星间基线确定的影响

针对编队飞行系统中的高精度星间基线确定问题,对编队主星轨道状态与星间基线进行了关联建模.基于GPS测量的相对导航模型解和测量基线与工作基线之间的坐标转换,建立了相应模型并分别给出了误差传播关系,讨论了主星状态对星间基线确定的影响.该影响的规律和大小与多方面因素有关,其中小卫星编队与GPS星座之间的观测几何特别是编队宽度是主导因素,在宽编队情形下,为得到高精度星间基线,对于主星轨道状态的精度要求较高.     

基于鲁棒卡尔曼滤波的编队卫星相对导航

为提高编队卫星相对导航精度和计算稳定性,采用鲁棒卡尔曼滤波进行相对位置和相对速度的估计.对星间相对动力学方程进行适应性改造,使其具有线性离散不确定性系统形式.以载波相位差分GPS为观测模型,采用鲁棒卡尔曼滤波进行相对状态估计.数值仿真结果表明,该算法相对于扩展卡尔曼滤波算法具有明显优势,导航精度更高、鲁棒性更强,具有一...     

多传感器组合导航系统研究

设计了一种由INS、GPS和Doppler测速雷达构成的多传感器组合导航系统。采用GPS伪距、伪距率以及Doppler速度与INS组合 ,建立了其卡尔曼滤波方程 ,设计了飞行轨迹 ,给出了惯性元件精度较低时组合系统的仿真输出。仿真结果表明 ,多传感器组合导航系统能有效提高导航精度 ,降低对惯性元件的性能要求 ,是导航系统的发展方向     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

一种辅助GNSS/INS组合导航系统的高度计设计

因为地球对于导航卫星电磁波信号来说是不透明的,因此高程精度因子VDOP值通常总大于水平位置精度因子HDOP,导致了GNSS接收机在竖直方向上的定位结果没有水平方向理想,也直接影响到和惯性导航系统INS组合后即GNSS/INS组合导航系统的测量精度。文章提出了一种使用气压高度计辅助GNSS/INS组合导航系统并提高其测量精度的方法,从大气压强传感器出发,介绍了高度计测量系统的组成和工作原理,并阐述了各部分的电路设计及其工作流程。为了验证设计效果,对该系统进行了测试,结果表明该方法可以有效地提高组合导航系统测量精度,可用于普通导航领域。     

导航星座自主星历更新技术

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精确确定和轨道短时预报两个方面的内容.相比之下,卫星轨道短时外推预报容易实现.因而,本文在系统地论述导航星座自主导航信息处理流程的基础上,重点提出一整套由星间双向伪距和测量方程、卫星受摄轨道系统状态方程、以及协方差匹配自适应Kalman滤波组成的卫星自主轨道确定算法.仿真结果表明：利用星载Kalman滤波器处理星间双向测量数据,卫星自主轨道确定精度和用户测距精度可以分别达到5.40m、1.86m,能够满足用户高精度导航应用需求.初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性.     

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。     

编队卫星星间基线的高精度测量方法研究

星间基线的高精度测量是卫星编队飞行需要解决的一项关键技术。从星间基线的表示出发,通过对目前常用相对状态测量手段的测量元素进行比较,筛选出无线电、红外、激光等三种可行的基线测量手段;然后,再针对编队卫星关注的测量精度、数据率、信号覆盖、作用距离等四个方面作详细的分析比较;最后根据比较的结果,提出了两种可行的基线测量方案。从理论上讲,这两个方案均能实现毫米级的测距精度和角秒级的测角精度。     

基于星间链路的分布式导航自主定轨算法研究

针对脱离地面支持自主定轨的导航应用需求,提出了基于星间链路双向测距的自主导航定轨算法。文章分析了导航星座星间链路双向伪距测量模型,给出了分布式自主定轨数据流程,设计了导航星座基于星间链路分布式自主定轨算法。根据国际卫星导航服务组织公开的真实GPS系统事后精密星历,对本文设计的自主定轨算法进行仿真验证,结果表明：采用该设计的自主导航算法在自主定轨90天末期,用户测距误差（URE）达到30 m左右,验证了该设计的自主定轨算法具有较高的自主定轨精度。     

近地轨道航天器编队仅测距相对导航方法

针对地球中高轨道卫星导航信号不可用或不可信赖情况下的航天器编队自主相对导航问题,提出一种基于星载数据链仅测距的航天器相对导航新方法。首先,在地球非球形J2引力摄动条件下建立适用于椭圆轨道的线性化相对运动动力学模型,并建立基于星载数据链的飞行时间测距模型。然后,通过理论推导与数值仿真结合的方式对建立的仅测距相对导航系统进行可观测性分析,得出至少存在三种镜像模糊轨道的结论。接着,建立可用于提升系统可观测性的几何拓扑一致性约束模型,设计基于一致性无味卡尔曼滤波的分布式估计策略,并研究对应的相对导航误差传播规律。最后,通过标准蒙特卡洛打靶对所提算法进行仿真校验。仿真结果表明,相比于Tschauner Hempel(TH)动力学模型,利用建立的J2摄动相对运动动力学模型设计的仅测距相对导航系统能达到更高的相对导航精度,一致性无味卡尔曼滤波算法也能够有效提高编队导航的可观测性。     

导航星座自主导航的时间同步技术

导航星座自主导航能够有效地减少地面测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低系统维持费用,实时监测导航信息的完好性,增强系统的生存能力。卫星时间同步是实现导航星座自主导航的关键技术之一,而星载原子时钟的频率稳定性能直接影响着卫星时间同步精度。本文基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程。从而,可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明:通过滤波处理星间双向测距数据,不断地更新卫星时钟参数,能够实现星座卫星自主高精度时间同步。     

基于Proximity-1协议的星间测距与时间同步技术研究

卫星之间信息交互、星间相对测距及时间同步是卫星星座与编队卫星飞行任务的关键技术。文章利用空间数据系统咨询委员会(CCSDS)Proximity-1协议中给出的时间业务,提出了一种非相干双向测距/时间同步方法,在星间信息传输的同时完成星间高精度测距,并详细给出了算法的计算公式推导和模型误差分析,理论分析和实验仿真结果表明:文章提出的方法具有较高的测距/时间同步精度,且功能集成度高,可为星间链路的建设提供技术支持。     

GPS/INS紧组合系统导航性能研究

为了提高组合导航的精度和抗干扰性,采用了直接利用GPS接收机原始测量信息（伪距、伪距率）的紧组合方式,详细推导了该组合导航系统的模型,根据全球定位系统（GPS）的误差模型及惯性导航系统（INS）在地固系中的误差方程,以伪距差为量测输入,设计了GPS/INS组合导航系统的卡尔曼滤波器。仿真结果表明,该组合方法可以充分利用GPS的信息修正INS的导航误差,与此同时,INS可以辅助GPS重新快速捕获卫星信号,满足一定的导航精度需求。提高了组合导航系统的容错性,对各种载体的精确导航与制导具有一定的现实意义。     

小卫星编队飞行关键技术及发展趋势分析

卫星编队飞行是空间技术发展的一个新领域.通过编队飞行可将多颗小卫星形成一颗大的"虚拟卫星",即空间任务的预定功能由编队中各个只担当单一功能的卫星分担,由此整个卫星群可实现强大的功能.实现卫星编队飞行需要保持和控制星群的编队构型,精确确定星间的相对位置和相对速度,即相对导航.卫星编队飞行的关键技术包括轨道设计、轨道演变及控制,星间链路、编队运行管理和测控,以及卫星的自主定位、定轨.叙述小卫星编队的基本原理、轨道构成和技术特征,分析实现编队飞行所需的关键技术,介绍各国编队飞行的现有计划及未来发展趋势.     

星间自主相对测距中载波相位整周模糊解算方法研究

载波相位整周模糊度解算是利用载波相位进行星间无线电相对距离测量的关键。介绍编队小卫星的工作特点,针对星间相对距离实时、高精度测量的要求,详细阐述利用双频伪码和载波相位观测值解算载波整周模糊度的方法,推导伪码、载波相位测量误差与模糊度解算误差的关系,讨论降低误差的方法。计算机仿真结果表明,该方法可以在单个测量历元获得载波相位整周模糊解算,解算精度与伪码测距精度成正比关系。     

基于激光实时跟踪测量的航天器编队相对位置测量方法

为了解决编队航天器间相对位置的高精度测量，实现航天器编队自主飞行，提出基于激光实时跟踪测量航天器间相对位置的测量定位方法，建立了航天器间相对位置测量的数学模型。该测量方法在直角坐标系下用Hill方程建立编队航天器相对运动模型，得出航天器相对运动轨迹的解析解，在极坐标系下建立航天器间相对位置的激光跟踪测量模型，将激光跟踪测量系统的测量值转换到直角坐标系，对转换误差进行去偏差补偿，利用卡尔曼滤波方法进行数据处理，以提高航天器间的相对位置测量精度。仿真结果表明，若对于测距精度为5厘米，测角精度为0．1度的激光跟踪测量系统，采用去偏差转换测量卡尔曼滤波方法，航天器空间相对位置精度可达到厘米量级。     

星载GPS接收机的设计与应用

随着空间技术的不断发展，星载GPS接收机已经逐渐发展成为航天器的一个重要平台载荷。它可以为航天器提供全球、全天候、实时、高动态、高精度的导航信息，并且提高航天器运行的自主性。本文对星载GPS接收机的设计及其在航天器，特别是编队飞行中的应用进行了阐述。文章介绍了几项应用GPS技术进行编队飞行的空间计划，指出了载波相位差分GPS技术在编队飞行相对导航中的重要作用；介绍了清华一号纳型卫星上的星载GPS接收机的研究进展，并在此基础上提出了编队飞行相对导航系统的设计方案。