Validation on flight data of a closed-loop approach for GPS-based relative navigation of LEO satellites

This paper describes a carrier-phase differential GPS approach for real-time relative navigation of LEO satellites flying in formation with large separations. These applications are characterized indeed by a highly varying number of GPS satellites in common view and large ionospheric differential errors, which significantly impact relative navigation performance and robustness. To achieve high relative positioning accuracy a navigation algorithm is proposed which processes double-difference code and carrier measurements on two frequencies, to fully exploit the integer nature of the related ambiguities. Specifically, a closed-loop scheme is proposed in which fixed estimates of the baseline and integer ambiguities produced by means of a partial integer fixing step are fed back to an Extended Kalman Filter for improving the float estimate at successive time instants. The approach also benefits from the inclusion in the filter state of the differential ionospheric delay in terms of the Vertical Total Electron Content of each satellite. The navigation algorithm performance is tested on actual flight data from GRACE mission. Results demonstrate the effectiveness of the proposed approach in managing integer unknowns in conjunction with Extended Kalman Filtering, and that centimeter-level accuracy can be achieved in real-time also with large separations.     

一种提高导航卫星星座自主定轨精度的方法研究

针对近地导航卫星仅利用星间测距进行自主定轨时,因无法消除星座整体旋转误差而导致长期自主定轨精度不高的问题,提出了利用拉格朗日导航卫星星座与近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的方法。建立了拉格朗日轨道导航卫星星座和近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的动力学模型和观测模型。利用扩展Kalman滤波（EKF）算法和星间测距信息实现了拉格朗日轨道导航星座与近地导航星座的长期自主定轨。以4颗拉格朗日卫星组成的导航星座与12颗GPS卫星组成的近地导航星座作为仿真对象进行了仿真分析,仿真结果表明本文仅利用星间测距的联合自主定轨方法可以有效提高导航卫星星座的长期自主定轨精度。
     

时变拓扑卫星集群分布式自主相对导航方法

针对时变拓扑卫星集群的相对导航需求,提出了基于图论的时变拓扑分布式一致性无迹卡尔曼滤波算法。首先给出了固定拓扑卫星集群的相对运动方程、测角测距测量模型和无迹卡尔曼滤波算法,然后考虑测角失效时相对导航系统不可观或弱可观的问题,结合矢量环一致性约束,构造了一致性无迹卡尔曼滤波算法,以提高系统的可观度;在此基础上,针对时变拓扑卫星集群,以滤波精度为优化指标,在图论的基础上利用Dijkstra算法对卫星集群的时变拓扑结构进行重构,并将重构后的拓扑结构应用于卫星集群相对导航。仿真结果表明所提算法能有效改善不完备测量带来的模糊轨道问题,并且能够实现实时的拓扑重构,以满足时变拓扑星群的相对导航精度要求。     

亚太区域导航八星星座分析

提出了一个由八颗同地迹有一定倾角的地球同步圆形轨道(IGSO)卫星组成的区域导航星座方案。分别从星座的几何特性、卫星、用户终端三个角度对该星座进行了分析。对比大椭圆轨道方案、近圆地迹轨道方案,认为IGSO方案是我国区域导航比较有利的方案。     

基于单目序列图像的非合作目标相对导航（英文）

Along with the increase of the number of failed satellites, plus space debris, year by year, it will take considerable manpower and resources if we rely just on ground surveillance and early warning. An alternative effective way would be to use autonomous long-range non-cooperative target relative navigation to solve this problem. For longrange non-cooperative targets, the stereo cameras or lidars that are commonly used would not be applicable. This paper studies a relative navigation method for long-range relative motion estimation of non-cooperative targets using only a monocular camera. Firstly, the paper provides the nonlinear relative orbit dynamics equations and then derives the discrete recursive form of the dynamics equations. An EKF filter is then designed to implement the relative navigation estimation. After that, the relative "locally weakly observability" theory for nonlinear systems is used to analyze the observability of monocular sequence images. The analysis results show that by relying only on monocular sequence images it has the possibility of deducing the relative navigation for long-range non-cooperative targets. Finally, numerical simulations show that the method given in this paper can achieve a complete estimation of the relative motion of longrange non-cooperative targets without conducting orbital maneuvers.     

GPS-based relative navigation for the Proba-3 formation flying mission

The primary objective of the Proba-3 mission is to build a solar coronagraph composed of two satellites flying in close formation on a high elliptical orbit and tightly controlled at apogee. Both spacecraft will embark a low-cost GPS receiver, originally designed for low-Earth orbits, to support the mission operations and planning during the perigee passage, when the GPS constellation is visible. The paper demonstrates the possibility of extending the utilization range of the GPS-based navigation system to serve as sensor for formation acquisition and coarse formation keeping. The results presented in the paper aim at achieving an unprecedented degree of realism using a high-fidelity simulation environment with hardware-in-the-loop capabilities. A modified version of the flight-proven PRISMA navigation system, composed of two single-frequency Phoenix GPS receivers and an advanced real-time onboard navigation filter, has been retained for this analysis. For several-day long simulations, the GPS receivers are replaced by software emulation to accelerate the simulation process. Special attention has been paid to the receiver link budget and to the selection of a proper attitude profile. Overall the paper demonstrates that, despite a limited GPS tracking time, the onboard navigation filter gets enough measurements to perform a relative orbit determination accurate at the centimeter level at perigee. Afterwards, the orbit prediction performance depends mainly on the quality of the onboard modeling of the differential solar radiation pressure acting on the satellites. When not taken into account, this perturbation is responsible for relative navigation errors at apogee up to 50 m. The errors can be reduced to only 10 m if the navigation filter is able to model this disturbance with 70% fidelity.     

基于遗传算法的多星座选星方法

提出了一种基于遗传算法的选星方法,该方法能够准确、快速地实现多个全球导航卫星系统(GNSS)下选星颗数大于4的选星。经过大量试验确定了遗传算法选星的选择、交叉、变异等关键参数,并通过在交叉和变异中穿插染色体优选过程克服了遗传算法的选星结果容易陷入局部最优的缺点。以不同GNSS星座个数和不同选星颗数下的选星仿真校验了所设定遗传参数的有效性和可靠性。仿真结果表明,利用遗传算法可以高效、准确地实现选星,该方法特别适用于多星座多选星颗数的情况。     

基于天文和陆标观测的月球卫星自主导航方法

随着我国月球探测工程的开展,为弥补地面测控的局限性,月球卫星的自主导航技术已成为     

采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法

针对缺少行星表面陆标位置和探测器初始状态等先验信息情况下行星着陆导航问题,提出一种采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法。首先,利用行星表面陆标的双目视觉测量信息建立相对导航坐标系并计算陆标在相对导航坐标系下的位置,然后利用基于奇异值分解（SVD）的优化方法得到探测器在相对导航坐标系下的初始状态估计,最后利用陆标的视觉测量信息估计探测器在相对导航坐标系下的位置、速度和姿态。以火星着陆为例进行数学仿真分析,仿真结果表明本文提出的方法是有效可行的。     

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。     

基于姿态敏感器的地球同步轨道卫星自主导航研究

本文提出了一种基于姿态敏感器的地球同步轨道卫星自主导航方法,作为解决未来高轨道卫星自主运行的先决条件。在整个系统中,以包含摄动项的HILL 方程作为状态方程,根据由姿态敏感器给出的卫星本体相对于地球和另外两个空间天体的方位,推导出测量方程,进而用简化的推广 Kalman 滤波算法进行状态估计。仿真表明,该方法收敛速度快,精度较高,是一种可行的地球同步轨道卫星自主导航方法。     

多星编队相对轨道的自主确定

编队飞行的相对轨道确定具有重要意义。针对编队应用中多颗环绕星相对中心星的自主定轨问题进行了研究，提出引入环绕星间相对测量信息的分布式滤波方案。设计了二级滤波器，利用环绕星间测量信息提高一级滤波得到的环绕星相对轨道的确定精度。仿真结果验证了这种导航方案的有效性。     

基于星光大气折射的卫星自主轨道确定

本文研究了利用星敏感器进行卫星轨道确定的自主导航方案。这种自主导航方案完全利用高精度的CCD星敏感器，以及大气对星光折射的数学模型及误差补偿方法，精确敏感地平，从而实现航天器的精确定位。以某太阳同步轨道卫星为背景，针对本文给出的星光折射光的卫星导航方案，结合推广的卡尔曼滤波算法，使用模拟数据进行了仿真研究，定位精度为38m。仿真结果说明，星光折射角的测量误差和大气折射模型的不确定性是影响导航精度的主要因素。     

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。     

高轨非合作目标多视线分布式相对导航方法

针对仅采用单视线难于实现高轨非合作目标的远距离自主相对导航问题,提出基于双空间机器人的多视线分布式相对导航方法。首先,建立基于多视线测量的相对导航模型,并给出空间机器人与非合作目标的相对动力学模型;然后,为降低集中式滤波相对导航的维数,设计分布式滤波的相对导航方法,采用扩展卡尔曼滤波算法实现相对运动估计;最后,建立数学仿真模型,对多视线分布式滤波相对导航算法及可观测性进行仿真校验,仿真结果表明该方法是稳定有效的。     

基于四元数法的舰载无人机回收系统测高技术研究

文章针对舰载无人机在着舰回收过程中,由于海浪颠簸对引导系统高度测量严重干扰的问题,利用四元数导航算法提出了一种新型的舰载无人机回收系统测高方法。首先采用捷联惯导测高系统设计方案,同时利用微机械的惯性测量组件,提高系统的可靠性和集成度;然后,利用四元数导航算法求取各个姿态方位参数,再用旋转矢量法补偿不可交换性误差,推导出舰船甲板的升沉高度实际值,为克服传统纯惯导测量算法的不稳定性,提出一种具有三阶阻尼特性的互补滤波器算法,并在测量系统输入端加入巴特沃斯滤波器去除杂波干扰,得到需要测量的高度变化值。最后,通过对比传统纯惯性方法下测高系统输出值、加入真实气压表互补滤波后测高系统输出值和加入零均值阻尼信号互补滤波测高系统输出值,三种不同情况下的仿真结果,验证了所提方案的有效性。     

航天器非合作目标相对导航的联邦滤波算法研究

提出了一种适用于空间机器人在轨对非合作目标进行测量的“激光测距仪+可见光 测角相机”组合的联邦卡尔曼滤波相对导航算法。分析了激光测距仪和可见光相机进行非合 作目标测量时存在的问题,为此设计了一套包括分别基于测角信息和测距信息的子滤波器, 以及进行子滤波器数据融合的主滤波器在内的联邦卡尔曼滤波器,并提出了具体的判据来对 子滤波器进行“条件重置”。仿真实验数据表明该联邦卡尔曼滤波器能够在部分目标测量设 备的输出出现暂时故障情况下输出较为平稳的相对导航数据,并且滤波算法具有较好的容错 性。
     

微小卫星磁测自主导航方法

本文提出了使用磁测方法实现近地微小卫星自主导航的方法，利用实时地磁场测量数据与根据ＩＧＲＦ计算出的地磁声数据之差作为新息量，使用推广Ｋａｌｍａｎ滤波算法确定卫星的位置和速度。给出了三种导航滤波算法。并使用模拟数据和ＭＡＧＳＴＡ卫星实测数据进行了仿真研究，证明了方法的有效性和实用性。     

基于广义卡尔曼滤波的伪距组合GPS/INS导航

提出了一种利用广义卡尔曼滤波进行GPS/INS组合导航的技术 ,同时给出了一种最优选星算法。采用间接的反馈校正设置 ,直接利用伪距数据和不受噪声污染的星历数据。利用该方法 ,组合导航精度高 ,在导航过程中若丢失GPS信息 ,短时间内单纯INS的导航精度仍能保持。恢复GPS信号后组合系统继续正常工作。     

基于伪距、伪距率的GPS/SINS容错组合导航系统

为了提高组合导航系统的容错性和可靠性 ,本文采用基于伪距、伪距率的GPS/SINS组合导航系统 ,详细推导了该组合导航系统的模型 ,并通过仿真验证了当有效定位卫星数目小于四颗时 ,该组合方法仍可以利用GPS信息修正SINS的导航误差 ,满足一定的导航精度需求。并通过可观性分析 ,说明了不同有效卫星数目对导航精度的影响