基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航

基于星间链路的导航星座自主导航,存在星座整体旋转误差随时间累积问题,致使星座难于长时间自主运行。X射线脉冲星导航为星座整体旋转问题提供了一种新的解决途径:在导航卫星上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,整合脉冲轮廓和提取影像信息,星载时钟记录脉冲到达时间,经过星载计算机处理得到卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数;脉冲星辐射的X射线信号为导航卫星提供了绝对时空基准,不存在星座整体旋转问题。在简要论述基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航的基本概念、系统组成和几何原理的基础上,重点研究了导航卫星轨道确定与时间同步的自适应卡尔曼滤波算法,并通过数值分析试验,初步论证利用X射线脉冲星解决自主导航星座整体旋转问题的可行性和合理性。     

Iridium/ORBCOMM机会信号融合定位技术

在全球导航卫星系统(GNSS)不可用情况下，低地球轨道(LEO)卫星机会信号(SOP)定位技术是一种有效的导航定位解决方案。单LEO星座机会信号定位技术面临星座构型不足或可见卫星偏少等问题，多LEO星座机会信号融合定位技术可有效解决该问题。通过分析瞬时多普勒定位原理，建立了Iridium/ORBCOMM机会信号融合定位模型，引入基于Helmert方差估计的加权最小二乘算法进一步提高定位精度。实测数据表明:基于Helmert方差估计的Iridium/ORBCOMM机会信号融合定位精度优于70 m，验证了多LEO星座机会信号融合定位的可行性和有效性。      

基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法

为了提高惯性/天文组合导航系统在高动态条件下的导航精度,提出了一种基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法.该算法将载体的旋转和平移统一起来,使用螺旋矢量更新对偶四元数,同时补偿圆锥误差和划船误差.推导了组合导航系统基于加性对偶四元数的误差模型和导航参数误差的计算方程;把陀螺仪和加速度计的常值误差扩充到状态变量中,随机误差作为系统噪声输入,利用星敏感器输出参数来校正陀螺漂移,通过卡尔曼滤波对状态变量进行估计.仿真结果表明:在高动态条件下,基于对偶四元数的惯性/天文导航算法的导航精度比传统算法提高2倍多.     

基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法

为了提高惯性/天文组合导航系统在高动态条件下的导航精度,提出了一种基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法.该算法将载体的旋转和平移统一起来,使用螺旋矢量更新对偶四元数,同时补偿圆锥误差和划船误差.推导了组合导航系统基于加性对偶四元数的误差模型和导航参数误差的计算方程;把陀螺仪和加速度计的常值误差扩充到状态变量中,随机误差作为系统噪声输入,利用星敏感器输出参数来校正陀螺漂移,通过卡尔曼滤波对状态变量进行估计.仿真结果表明:在高动态条件下,基于对偶四元数的惯性/天文导航算法的导航精度比传统算法提高2倍多.     

基于GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的可行性分析

研究利用GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的方法,分析了飞行器在转移过程中可用的GPS卫星数目,在地心惯性坐标系下建立了惯导误差和GPS的伪距、伪距变率模型,采用渐消因子的自适应卡尔曼滤波对飞行器进行组合导航.仿真结果表明,可用GPS卫星的数目随着飞行器高度的增高而减少,因此无法利用单一历元观测信息直接对飞行器导航.但采用多历元观测信息和动力学模型相结合的滤波方法可对飞行器进行组合导航,当飞行器初始位置偏差为1 km,初始速度偏差为1 m/s,伪距及伪距变率观测均方差分别为10 m和0.05 m/s时,地球同步轨道自动转移飞行器的最终位置偏差小于50 m,速度偏差小于0.02 m/s.      

GPS/GLONASS/GALILEO多星座组合导航系统研究

通过对多星座组合导航系统的分析,对多星座组合导航定位算法进行了研究。由于GPS、GLONASS、GALILEO系统分别采用了不同的坐标系,文中利用坐标系变换将不同星座统一到同一个坐标系中,采用增加状态变量的方法实现了组合系统的时间统一,从而实现了多星座间的时空统一;针对多星座组合系统的可见卫星数目大大增加的特点,采用最小二乘的方法实现了用户的导航定位解算,提高了用户的定位精度。通过对GPS/GLONASS/GALILEO多星座组合导航系统的仿真研究,其结果表明:与GPS单星座相比,GPS/GLONASS/GALILEO多星座组合导航系统,同一时间内可见卫星数目大大增加,PDOP值明显减小,有效提高了导航定位精度,具有良好的定位性能和可靠性。     

利用条件平差实现导航星座自主守时方法

针对导航星座自主导航系统的重要组成部分———自主守时系统,提出了一种简便易行的新算法:根据星间测距数据,采用条件平差进行自主守时计算;并且介绍了此方法基本原理和实现思路。自主守时仿真计算表明,此方法守时同步误差不累积,距离测量误差0.1m时,时间同步误差均方根小于0.4m。     

编队星座相对位置精确测定与自主定轨方法

针对编队飞行星座,提出了一种全自主的高精度定轨与相对位置精确测定方法,对其主要关键技术之一的空间绝对定向的基本方案及其可行性和指标进行了研究,并进行了仿真验证.结果表明,通过编队星座星间高精度的距离测量和绝对定向观测,可以实现无需地面测控站和卫星导航系统支持下的编队星座全自主导航方案;在一定测距和测向误差条件下,绝对定轨精度可以优于20m,相对位置确定精度可优于10cm.相对误差与采样间隔有较明显关系,未来可考虑采样间隔控制在10s以内即可;绝对位置误差大小与采样间隔无明显关系,其中的主要误差是星座的整体平移误差.仿真结果验证了所提方案的正确性.      

发射系下SINS/GPS/CNS多组合导航系统算法及实现

首先建立了发射惯性系下的组合导航系统模型,据此设计了基于联邦滤波器的SINS/GPS/CNS组合导航算法,最后研制了基于PC104硬件平台的组合导航算法验证样机。通过实时半物理仿真测试得出,三组合导航系统的姿态误差小于15″,位置误差小于10m,速度误差小于0.2m/s,表明所设计的组合导航系统算法正确,实现合理。     

一种巡视器惯性/视觉组合导航新方法

在以运动参数误差为状态量、视觉导航与惯导导航相对运动参数差为观测量 的传统惯性/视觉组合导航方法中, 为解决相对运动参数同时与前后两个时 刻状态相关的问题, 采用将前一时刻位置和姿态误差增广到状态量中的方法, 并且假设增广的状态量为常值, 导致状态模型中引入了较大的误差. 基于 真实位置、姿态建立观测量误差模型, 导致观测量同时与前后两个时刻的状 态相关. 本文以惯导误差方程为状态模型, 采用四元数差形式的相对运动 参数差作为观测量, 基于上一时刻组合导航位置、姿态估计值建立观测量误 差模型, 实现了状态的增广, 并使得量测信息仅与当前时刻的位置误差和平 台失准角相关, 克服了状态模型误差较大的问题. 月面仿真和地面模拟实验 均表明, 该方法能够达到较高的位置和姿态估计精度.      

星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航

为解决星座仅依靠星间链路测量进行自主导航时的整体旋转和漂移问题,提出一种星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航方法.通过星间观测相机和磁强计,获得同轨道相邻卫星视线矢量与地磁场方向之间的角距和地磁场模值,为低轨星座引入空间基准信息.在非秩亏性分析的基础上,分别建立状态方程和量测方程,利用扩展卡尔曼滤波方法进行整星座的最优状态估计.仿真结果表明,星座卫星自主导航位置精度优于20m,速度精度优于0.05m·s-1,自主导航运行时间维持180天,能够满足低轨卫星星座自主导航的应用需求.      

北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡，北斗三号系统（BDS-3）通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息，包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后，等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征，并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差（UDRE）进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据，对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差（UERE）约为1 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.3 m；BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差，显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型，广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比，BDS-2/BDS-3卫星联合条件下，基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%；广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m，双频用户定位精度为1.7 m，单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。      

Beidou wide-area augmentation system clock error correction and performance verification

On December 27, 2018, the Beidou-3 System (BDS-3) has completed the deployment of 18 Medium Earth Orbit (MEO) satellites combined as a space constellation. In addition to the augmentation information for the new system signals B1C and B2a, the BDS-3 is compatible with the three augmentation information broadcast by the BDS-2 system for B1I and B3I signals: equivalent clock error correction, User Differential Ranging Error (UDRE) and Grid Ionosphere Vertical Error (GIVE). In this paper, the observation data of Beidou monitoring network are used to analyze the pseudo-range observation quality of the smooth transition signals B1I and B3I of BDS-2 and BDS-3. At the same time, the relationship between the equivalent clock error correction and the prediction error of the satellite clock is analyzed by using the Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) data. The results show that the correlation between the equivalent clock error correction and the monitored clock error by using the TWSTFT data is greater than 60%. We calculate the UDRE by using the equivalent clock error correction. The results show that the satellite equivalent clock error correction can improve the accuracy of User Equivalent Range Error (UERE) by about 50%. This paper also compares the positioning accuracy of the BDS-2 satellites with the BDS-2 satellites combined BDS-3 satellites. The results show that the three-dimensional positioning accuracy is improved by about 30% after the BDS-3 satellites are added.     

基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜定位研究

潜艇只在必要时刻才浮出水面，对实时通信和导航定位造成极大制约。蓝绿激光具有深水穿透性高、衰减系数低等优势，已在机载和星载平台对潜艇通信中得到验证。借鉴GNSS导航信号产生原理，结合蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨，提出了基于蓝绿激光通信的低轨卫星对潜定位算法。通过在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的伪距测量，联合其高程测量信息实现水下定位。以一带一路海域，特别是中国南海区域为服务对象，优化星座参数设计了3颗卫星组成的低轨稀疏星座。潜艇在星座覆盖区域内保持静态，间隔1~3min完成至少两次通信测距和导航电文接收，联合两组观测数据、精密星历及高程测量信息进行定位解算。仿真结果显示，在卫星过境期间，考虑卫星定轨精度，激光在空气、水下传播误差等因素，潜艇可在水下实现X、Z方向定位误差优于100m，Y方向误差约100~150m的高精度定位，对提升潜艇的战场作战能力具有意义。     

差分改正数的更新率对定位精度的影响分析

介绍了GPS(Global Positioning System)定位的误差来源及差分的具体形式,描述了伪距定位及伪距差分定位的数学模型.分析了差分修正后的用户伪距残差和SA(Selective Availability)信号的关系,并从SA的时间相关特性出发,分析了伪距差分中差分改正数的更新率对定位精度的影响.最后,利用RTCM SC 104格式的电文1进行了不同更新率的实验,得出了具有实践意义的结论.     

基于CIT技术的广域增强系统电离层延迟修正算法

提出了一种基于电离层层析成像(CIT)技术的广域增强系统(WAAS)电离层延迟 修正算法. 该算法利用模式基函数与截断奇异值分解正则化组合的方式, 实现WAAS单频用户的电离层延迟误差修正. 基于中国区域23个广域基准站 和10个用户站的仿真结果分析表明, 传统的网格算法和基于CIT技术的电离 层延迟修正算法的电离层延迟修正精度与太阳活动、昼夜变化及地磁纬度 之间均存在明显的相关性. 基于CIT技术的电离层延迟修正算法精度优于网格算法, CIT算法的平均误差与标准差相比网格算法均有较大幅度的下降.      

Kalman filter based estimation of differential hardware biases with triangular interpolation technique for IRNSS

Ionosphere delay correction is the main error correction to the computation of single frequency user position using satellite navigation. However ionosphere delay consists of not only delay but also frequency dependent differential hardware biases from satellite and receiver ends. For ionosphere point of view, Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) service area comes in equatorial anomaly region. It is a unique satellite navigation system which operates at L5 and S frequencies and consists of Geostationary Earth Orbit (GEO) and Geo Synchronous Orbit (GSO) satellite constellation. With IRNSS measurements availability, there is a good opportunity to estimate and analyse differential hardware biases with GEO/GSO combination and with equatorial ionosphere variation. In this paper, Kalman filter based estimation with triangular interpolation technique is used to estimate differential hardware biases for all IRNSS satellites and reference receivers at L5 frequency. The standard deviation of the 15?days of daily estimation of satellite differential hardware biases is in the range of 0.32 to 1.17 TECU for all IRNSS satellites. Similarly, the standard deviation of the 15?days of daily estimation varies up to 2.85 and 6.0 TECU for receiver differential hardware biases during calm and stormy period respectively. The ionosphere delay computed using estimated differential hardware biases is compared with Global Ionosphere Map (GIM) data. A rigorous analysis is carried out to study the error in the estimation in terms of input data noise level, satellite constellation and effect of latitude. Our result reveals that over IRNSS service area, there is an exponential increase in the error in the estimation of receiver differential hardware biases with respect to latitude.     

NeQuick G model based scale factor determination for using SBAS ionosphere corrections at low earth orbit

A space-based augmentation system (SBAS) provides real-time correction data for global navigation satellite system (GNSS) users near ground. In order to use the SBAS ionosphere correction for low Earth orbit (LEO) satellites, the correction should be scaled down for the LEO altitude. This scale factor varies with ionosphere distribution and it is hard to determine the value at LEO in real time. We propose a real-time scale factor determination method by using Galileo GNSS’s NeQuick G model. A LEO satellite GPS data and SBAS data received on ground were used to evaluate the performance of the NeQuick G derived variable scale factor. The NeQuick G derived scale factor shows a significant accuracy improvement over NeQuick G model or pre-determined constant scale factor. It improves a vertical positioning accuracy of the LEO satellite. The error mean reductions of the vertical positioning over NeQuick G and the constant scale factor are 31.5% and 11.7%, respectively.