NASA空间通信与导航网络现状及未来发展

正美国的空间探测活动由美国国家航空航天局(NASA)的空间通信与导航(SCa N)网络提供通信导航支持。SCa N网络由三个网络组成:深空网(DSN)、空间网(SN)和近地网(NEN),用户一般根据任务需求选择一个或多个网络提供所需服务。为了建立综合空间通信与跟踪能力,NASA于2006年提出建设统一的空间通信与导航网络,计划将空间网、近地网和深空网形成一个功能相对独立,用户界面和运行管理统一的天基任务基础设施。在此之前,     

基于星联网的深空自主导航方案设计

为了降低地面测控系统的负担、提高深空探测器的导航效率,提出了基于星联网的航天器自主导航概念,对星联网的应用体系进行了设计。借助脉冲星、星间链路等手段实现星联网系统中基准航天器完全自主的高精度导航,用户航天器通过与基准航天器或其他用户航天器的交互通信与测量就可以实现自身状态估计。以地月转移任务为例,设计了星联网系统在地月空间的具体应用方案,分析了地月空间基准航天器的配置与自主导航方法,阐述了用户航天器的单层与多层导航策略。对基于脉冲星与星间链路观测的基准航天器自主导航进行了仿真,验证了观测基准航天器或者其他用户航天器时,地月转移段航天器自主导航的可行性。结果表明:基准航天器可以达到20 m的定位精度,用户航天器可以达到优于30 m的定位精度。基于星联网的航天器自主导航是可行的,发展星联网可以为我国构建天基自主基准导航系统提供有力支持。     

卫星编队自主相对导航与通信一体化系统探讨

探讨了一种新的卫星编队自主相对导航与通信系统一体化系统设计方案,提出了基于软件无线电的半双工CDMA测量通信一体化系统,实现自主相对导航和星间通信的一体化功能,通信数据和导航测量数据也统一在一个数据帧中传输,不需要独立的星间网络通信系统和增加额外的通信频段进行通信数据传输。系统采用S波段,详细阐述了系统架构和工作原理,分析了系统性能,并进行了仿真验证。     

导航星全球定位系统的商业应用

一、导航星全球定位系统的概况导航星全球定位系统整个计划在1988年完成时,将有18颗卫星在圆轨道上组网运行,轨道周期12小时,高度约20000公里,到时整个星座可在全球范围内提供高精度、连续、三维的导航定位信息。目前该系统进入局部运行阶段,已有7颗卫星发射入轨,每天可在全球范围内提供三维导航定位信息,但不是连续的,而是每天只能提供1至4小时的信号。GPS 用户接收机是全部电子化的自动接收设备,但用户使用这些设备并不要求有     

导航卫星缘何神通广大?

全球导航卫星系统一般是由多颗卫星组成导航卫星网,只要用户测出与4颗导航卫星之间的距离变化率,并根据导航卫星发出电波的时间、轨道参数,就可以确定自己瞬时所在经纬度位置和速度方向。卫星导航的方法有两种,一种是多普勒测速导航,另一种是时间距离导航,简称时距导航。多普勒测速导航。我们知道,导航卫星上发出的无线电波的频率是不变的,但由于导航卫星在高速运动,相对地面的观测者来说,频率会发生变化(频移)。由远而近时,频率会增高,由近而远时,频率会降低,这与我们站在铁路旁听火车的汽笛声一样,由远而近时,声音越来越尖锐,由近远去时,声音越来越低沉,其实火车汽笛声的频率是不变的,这种现象被科学家称为多普勒效应。     

全球导航卫星系统发展特点与面临挑战

全球导航卫星系统（GNSS）是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种空间导航定位系统。目前。GNSS不仅成为世界各国重大的空间和信息化基础设施,也成为体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。由于GNSS在国家安全和经济与社会发展中有着不可或缺的重要作用,所以世界主要军事大国及经济体都竞相发展独立自主的卫星导航系统。预计在2020年前,美国的“全球定位系统”（GPS）和俄罗斯的“全球导航卫星系统”（GLONASS）将完成现代化改造;而中国的“北斗”和欧洲的“伽利略”（Galileo）将部署完成。除此之外,日本、印度等国正在发展本国的区域卫星导航系统及增强系统。     

EKF/UKF在编队飞行卫星GPS相对导航中的应用

 　航天器编队飞行协调工作,必须精确确定各航天器的相对位置和相对速度,即进行编队飞行相对导航。将扩展卡尔曼滤波(EKF,extended Kalman filter)和非线性滤波unscented Kalman filter(UKF)算法同时应用于编队飞行卫星的载波相位差分GPS相对导航。EKF与UKF算法原理不同,UKF算法的精度比EKF的精度高。在实际应用中,可以将两种算法组成互为备份的相对导航滤波器,这样可提高滤波系统冗余性能。     

自适应混合信息滤波算法及其在 相对导航中的应用

为解决相对导航模型中线性、非线性并存,及多传感器信息融合时基于Kalman滤波的导航算法计算复杂度较大的问题,提出一种混合信息滤波算法;考虑测量噪声统计特性不准确等工程因素,提出一种自适应混合信息滤波相对导航算法.理论分析及仿真验证表明,与基于Kalman滤波的传统导航算法相比,给出的混合信息滤波算法具有多传感器数据融合时计算复杂度低、便于工程实现的优点,且可以完成线性、非线性并存时的导航滤波任务;除上述特点外,在传感器测量噪声统计特性不准确的情况下,给出的自适应混合信息滤波相对导航算法可以通过自适应调整量测协方差阵的方式,使导航系统仍保持较高的精度.     

卫星编队对空间非合作目标测距相对导航精度分析

针对单颗卫星对空间非合作目标测距不能估计全部相对运动状态的问题,提出利用编队中多颗卫星同时测距相对导航。建立了相对运动状态估计的系统模型;推导了系统可观测矩阵;通过计算系统可观测度和采用无迹卡尔曼滤波（UKF）对目标相对运动状态进行估计,研究了观测矢量方向和数量与相对导航精度的关系。结果表明双星测距能估计全部相对运动状态,观测矢量夹角越大,相对导航精度越高,在编队尺寸远小于目标距离的前提下,多于两颗的卫星测距并不能明显提高相对导航精度。     

用导航星全球定位系统(GPS)第二阶段用户设备进行时间发布

导航星全球定位系统是用卫星建立的一种导航系统。它采用频谱扩展技术使用户能得到高精度的全球定位、速度和时间信息。这是用测量一组四颗卫星信号到达时间差的办法得到的。GPS 与其协调世界时(UTC)有确定关系,因此用户能够把 UTC 估算到亚微秒准确度。系统的关键性能是,GPS 用户设备(UE)对于 UE 参考钟和 GPS 时之间时差的估算能力。这种估算可通过精密控制硬件误差和计算误差来完成。因此,要求用户设备(UE)采用一种低相位噪声和可预报漂移特性的高质量石英晶振。在活动设施上实现精密守时是 GPS 用户设备装置的基本工作原理。该装置及其接收机利用导航星 GPS 空间部分供给的信息,向用户提供导航情报、GPS 时和对应的 UTC 数据。讨论了机械编排 GPS 用户设备装置守时功能程序的复杂性。讨论内容包括硬件和软件补偿技术。本文强调了该装置的晶体振荡器频标的应用和效果。     

高中低轨导航星座混合体制星间链路规划

针对北斗系统加入低轨增强星座后的高中低混合星座特点,为了满足下一代导航星座主要的星间链路业务需求,提出了一种分级规划的混合星座星间链路规划方案。优先为激光星间链路的MEO、LEO、MEO-LEO建立拓扑,基于此拓扑提出了时分体制的分组拓扑规划算法。针对导航星座高中低速混合星间网络不同体制的路由提出了2种不同的改进路由算法,并对混合体制星间链路进行了仿真和规划。对规划结果进行了统计分析,验证了混合网络规划方法的正确性和混合网络在低轨监测数据回传、层间数据传输、导航信息上注3个典型导航业务场景的数据传输效能。低轨监测数据回传和连续体制节点导航信息上注时延均在1s之内,在94%的时间里有5~8条层间星间链路,时分体制节点在92%的时间里可以在12s内完成上行注入,为下一代导航系统规划设计提供参考建议。     

星敏感器导航星表建立

导航星表是星敏感器系统用来实现恒星星图识别和姿态确定的唯一依据,它的容量、内容、存储读取方式对于完成星敏感器功能和性能指标都极为重要．通过分析恒星在视场中的分布规律,建立起星表的完备性和冗余性与星敏感器视场内导航星的数量之间的关系,确定了导航星数量,提出了筛选导航星的原则和方法,为了实现星表的快速搜索,对导航星表的组织形式进行了详细讨论．构造一个由2510颗0～6等导航星组成的导航星表,满足了星敏感器星图识别和姿态确定的需求．     

航天器相对导航与控制技术的典型任务

在空间交会对接、在轨服务、近距离目标监视以及航天器编队飞行任务中,通常需要通过相对导航与控制技术对相互邻近的航天器进行控制.回顾了该领域典型的空间任务,特别关注任务、相对导航与控制方法、相对测量设备、推进系统等主要特征,并总结了该项技术的发展趋势.     

基于模拟器的辅助导航测试方法研究

随着卫星导航产业的迅猛发展,辅助导航技术得到越来越广泛的应用,利用该技术可提高导航终端对卫星导航信号的捕获概率,缩短首次定位时间,提高灵敏度,提升用户体验。基于导航信号模拟器,利用基准站接收机传送辅助数据（星历信息及时间信息）的方式,构建辅助导航测试系统,提出了一种新的辅助导航测试方法,对导航芯片利用辅助信息实现快速捕获和定位性能进行了充分验证,方法可行,具有一定的工程应用价值。     

基于模拟器的辅助导航测试方法研究

随着卫星导航产业的迅猛发展,辅助导航技术得到越来越广泛的应用,利用该技术可提高导航终端对卫星导航信号的捕获概率,缩短首次定位时间,提高灵敏度,提升用户体验。基于导航信号模拟器,利用基准站接收机传送辅助数据（星历信息及时间信息）的方式,构建辅助导航测试系统,提出了一种新的辅助导航测试方法,对导航芯片利用辅助信息实现快速捕获和定位性能进行了充分验证,方法可行,具有一定的工程应用价值。     

日本卫星导航能力发展

正2017年10月9日,日本第4颗"准天顶卫星系统"(QZSS)成功发射,至此,日本完成了QZSS系统空间星座第1阶段的部署,计划于2018年11月1日投入初始运行,是日本谋求独立的卫星导航能力建设征程上的重要里程碑。日本的卫星导航能力已经完成了从增强到补充的发展过程,正在朝着建设、部署增强、补充与独     

飞行员导航专家系统

论述一个飞行员导航专家系统方案。此系统包括二次通道：飞行员助理（ＰＡ）通道和飞行员助理学习（ＰＡＬ）通道。ＰＡ通道完成导航计算、形势判断和决策，通道还将显示出当前形势及给飞行员提出的建议。ＰＡＬ通道完成知识库（ＫＢ）的更新，包括：对飞行员完成的操作作出评价、综合归纳知识和规则以及知识库的修正更新。对系统所涉及的一些原则方法和算法进行了研究。     

国外导航卫星星载原子钟技术发展概况

卫星导航系统精确导航定位的关键在于高精度、高稳定性的星载原子钟.星载原子钟作为导航信号生成和系统测距的星上时间基准,为导航系统提供精确稳定的频率源,是卫星导航系统有效载荷的核心部分,其性能直接决定用户的导航定位精度.     

考虑太阳自转的天文多普勒差分导航方法

基于太阳震荡的时间延迟是一种新型天文导航量测量,可以提供探测器相对反射天体的距离信息,与星光角距量测量结合,可以提高导航性能。然而,星光角距量测模型与时间延迟量测模型均含有火卫一相对火星的位置矢量,火卫一的星历误差将影响导航精度。针对这一问题,提出了一种基于在线估计的天文测角/时间延迟量测组合导航方法,建立了包含火卫一位置及速度的状态模型,利用星光角距及时间延迟量测量同时对火卫一的位置和速度进行在线估计,仿真结果表明,提出的方法可以有效抑制火卫一星历误差对组合导航精度的影响,为探测器提供高精度的自主导航信息。     

基于星间测量的卫星星座 自主导航算法

自主导航能力是新一代导航星座的重要特性,利用卫星星间相对测量实现星座自主导航,是实现导航星座自主运行的基础.基于相对测量的导航卫星自主导航问题,将导致测量方程和状态方程的高度非线性,对导航算法提出了新的要求.在总结前人工作的基础上,提出了一种星载导航算法方案:利用三颗卫星之间的相对矢量在惯性空间的投影作为测量量,利用高精度星载轨道预报器作为系统的状态方程,使用SRUKF(Square Root Unscented Kalman Filter)滤波算法同时对三颗卫星的位置进行估计.仿真结果表明,该方案具有可行性,并且当轨道预报器的精度较高时有可能在100d内实现5m的导航精度.