基于混沌粒子群优化的北斗/GPS组合导航选星算法

全球卫星导航系统（GNSS）接收机在接收信号的过程中会受到诸如建筑物遮挡、信号干扰等因素的影响,无法得到全部可见星。为减轻多星座组合接收机的处理负担,研究利用部分可见卫星进行定位的快速选星算法,提出了一种基于混沌粒子群优化（CPSO）的北斗/GPS组合导航选星算法。首先,对当前历元时刻可见卫星进行连续编码,按照选星数目分组,每个分组视为一个粒子。然后,通过混沌映射初始化粒子种群,选取几何精度因子（GDOP）作为评价粒子优劣的适应度函数;粒子通过粒子群优化算法的速度-位移模型更新自身位置,逐渐趋近空间卫星几何分布较好的卫星组合全局最优解。最后,采集北斗/GPS实际数据对选星算法进行仿真验证和性能比较,结果表明,所提算法在选星颗数多于5颗时,单次选星耗时为遍历法选星的37.5%,选星结果的几何精度因子计算误差在0~0.6之间。该算法可适用于北斗/GPS组合导航定位不同选星颗数的情况。      

基于帝国竞争优化的双目标综合决策选星算法

全球卫星导航系统（GNSS）的应用前景已经得到世界各国的普遍承认,其应用领域也趋于多样化,在此背景下,卫星接收机也要求其具有更快的解算速度和可靠的精度。针对目前多数接收机的选星算法都是固定选星数目从而限制算法机动性的问题,提出基于帝国竞争优化算法（ICA）的双目标综合决策选星算法。为了更好获取几何构型较好的卫星星座,引入可见卫星的卫星仰角和方向角先验信息,进行先验性约束,通过构建几何精度因子（GDOP）以及选星数目2个目标,进行综合决策的快速选星,提高了选星的灵活度,并且在满足用户精度的要求下减轻了多星座卫星接收机的计算负担。通过仿真实验和实测数据对双目标综合决策选星算法验证的结果表明:所提算法在高度截止角5°下引入先验性约束条件后平均选星数目在仿真数据和实测数据中缩减率分别为51.8%和45.4%,平均GDOP值较无约束下分别减少0.209 2和0.248 4。同时,所提算法单次选星平均耗时分别为0.168 4 s和0.303 1 s,与遍历法的选星耗时4 s相比,提高了95.79%和92.42%。      

PSO选星算法参数分析与改进

多星座组合导航提供更多的可用卫星,但也增大接收机计算复杂度,选取部分可见星代替全部可见星进行接收机位置解算成为选星算法研究的热点。粒子群优化（PSO）选星算法将PSO算法引入到选星过程中,该方法能够减少选星时间,实现北斗/GPS组合星座快速选星。研究了该算法的关键参数包括惯性权重因子、加速系数、种群大小等对PSO选星算法性能的影响,并针对搜索过程容易陷入局部最优问题,提出自适应模拟退火粒子群优化（ASAPSO）选星算法,该算法通过引入随适应值大小自适应调整进化参数及结合模拟退火算法调整粒子速度,以增强算法跳出局部极值的能力。采用实际数据对算法进行验证,结果表明:ASAPSO选星算法在保证选星时间的同时,能够提高算法搜索结果的准确性,其性能优于PSO选星算法。      

基于并行遗传算法的高轨卫星导航选星方法

高轨航天器自主导航能力在北斗三号卫星导航系统建成后得到了增强，但是也带来了部分时刻可见星数量冗余的问题。为降低运算量以保证服务的实时性，提出一种利用多种群并行遗传算法(PGA)进行快速选择当前最优可见星组合的方法。该方法将加权精度因子(WDOP)作为适应度评判标准，利用粗粒度式并行划分成的多个子种群进行搜索加速，并通过变异因子差异化设置与子种群间的信息交流来提高搜索能力。对多个典型高轨环境下7颗及以上选星任务的仿真测试表明，基于PGA的选星方法解相比遍历法所求最优解绝对误差平均值小于0.1，相对误差最大不超过1%。仿真结果表明，在典型高轨环境F1接收机利用四系统组合导航时，所提方法可以有效地快速、准确完成指定卫星数的选星任务。     

组合卫星接收机中的选星算法

分析了五阶矩阵的行列式值与5颗星GDOP(Geometry Dilution of Precision)值的关系,并由此提出了一种用于双卫星星座组合接收机(如GPS(Global Position System)和BD2(BeiDou2)组合接收机)中的选星算法——组合优选法.该方法首先选出行列式绝对值最大的几种组合,然后根据需要对每种组合从其余可见星中选出几颗最优星,最后根据GDOP最小原则从这几种组合中选取最终结果.计算机仿真结果显示该方法与直接利用GDOP选星相比,95％以上的GDOP相对比值小于5％,而计算量减小40％以上.      

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．     

一种基于三正交主轴平面的快速星图模拟方法

为在地面上进行星图模拟以测试星图识别算法和星敏感器性能, 提出了一种新的快速星图模拟方法. 该方法利用截面圆和固定区域的性质, 将单位天球按照三个正交主轴平面进行等分, 根据赤纬值求解恒星矢量与主轴平面夹角来确定选星条件, 进而根据坐标变换原理进行星图模拟. 为验证所提方法与现有方法相比的优势, 进行了大量的仿真实验. 实验结果表明, 与现有星图模拟方法相比, 本文方法在保证星图模拟精度的条件下, 选星速度提高了3倍以上.      

面向多星区域观测调度的改进型自适应遗传算法

针对传统优化算法在解决多星区域观测调度问题中收敛速度缓慢和易于陷入局部最优解的不足,提出了一种改进型自适应遗传算法。该算法通过蒙特卡洛方法结合Hamming距离,给出较优的初始种群;根据种群的平均Hamming距离确定交叉和变异操作的执行顺序,并结合sigmoid函数和高斯函数基于种群的个体适应度设计了自适应非线性的交叉率和变异率;结合双精英保留策略和锦标赛策略,保证最优个体的遗传;使用双重停机条件,提高算法的搜索效率。最后,通过实验表明,该方法可以显著提高全局搜索能力,加快算法的收敛速度,有效提高卫星的观测效率。     

改进粒子群优化的卫星导航选星算法

为提高选星算法的性能,提出一种基于人工鱼群算法的粒子群优化（PSO）选星算法。该算法利用人工鱼群算法良好的全局收敛特性,克服了粒子群优化算法易陷入局部最优的缺点。将每种卫星组合看作空间中的一个粒子,选取几何精度因子（GDOP）作为适应度函数。利用所提算法更新粒子自身位置,优化卫星组合与几何精度因子。利用实际数据对所提算法进行验证和对比,结果表明:改进的选星算法在保障选星效率的同时,选星结果的准确性优于标准的粒子群优化选星算法。      

星敏感器中快速星跟踪技术

跟踪模式是星敏感器的主要工作模式之一,跟踪过程的快速性直接影响星敏感器的整体性能.提出了一种快速星跟踪算法.在跟踪算法的3个耗时环节,分别采用了分区星表、阈值映射、先排序后匹配识别这3种方法,以提高跟踪过程的快速性.其中分区星表法将整个天区分成了若干个子天区,使得在星体映射时,只是搜索星敏感器视轴指向附近的部分子天区,而不是搜索整个天区,减少了搜索星体的数量;阈值映射法,在满足精确度的情况下,设置被跟踪星体的数量阈值,只有被跟踪的星体数目少于此阈值时,才进行星体映射,减少了映射次数;先排序后匹配识别法,先根据星体在星图中的坐标值进行排序,然后再进行匹配识别,减少了那些距离较大的无谓的星体间的匹配识别.仿真测试结果表明,这3种方法的采用,提高了跟踪算法的快速性,提高了星敏感器的整体效能.      

混合星座导航系统的加权几何精度因子分析

不同类型卫星构成的混合星座导航系统或兼容系统中,考虑到广播星历精度不等导致的测距误差不等,用加权几何精度因子(WGDOP)代替几何精度因子(GDOP)作为最佳星座选择、定位精度评估和完好性监测的依据。对静止轨道卫星(GEO)/中高轨道卫星(MEO)构成的混合星座中不同卫星组合的WGDOP和GDOP进行了比较,实验结果表明WGDOP能更准确地反映星座性能和评估定位精度。在对定位精度或完好性监测的可靠性要求较高等场景,要用加权几何精度因子进行分析。     

基于最小二乘递推估计的GPS定位算法

首先从理论上证明了几何精度因子随卫星数目的增加而减小.然后提出了基于现有软件的几何精度因子和定位解的递推算法.该算法从剩余的可见卫星中选取使GDOP₅达到最小的第五颗星,利用这颗卫星提供的定位信息对四星定位解进行修正.最后给出了第五颗星的选择方法,算法的目的是以最小的计算量换取定位精度的有效提高.     

全球导航卫星系统多星故障排除新方法

在全球导航卫星系统中,多颗卫星同时发生故障的概率会随着观测卫星数的增加而增加,从而,在接收机自主完好性监测中需考虑多星故障的处理.针对故障检测比故障排除简单、且故障检测率比故障排除率高的特征,以故障检测为基础,提出了一种新的多星故障排除方法——随机搜索法.该方法采用二进制对观测卫星进行编码,通过随机初始化方式获得初始无故障星座,再通过逐步搜索未选卫星方式来得到最终的含有最多无故障卫星的星座,实现故障排除功能.仿真结果表明:大部分情形下,新方法能获得99%以上的故障排除率,既能进行单星故障排除,也能进行多星故障排除,能有效满足全球导航卫星系统关于自主完好性的要求.      

基于北斗三号导航系统的卫星定位技术

对北斗三号体制下的传输链路、接收门限进行理论分析,得出捕获算法采用4次非相干累加,可以使捕获灵敏度达到-130 dBm,同时实现定位时间小于5 min的综合较优结果.接着以低轨太阳同步轨道卫星为例,利用STK建模进行全轨道周期仿真,结果显示全程收星数超过4颗,定位精度达到2.59 m,速度误差为0.00378 m/s....     

卫星定位和精度因子的改进方法

在卫星导航定位系统中,在精度因子计算和采用最小二乘法进行定位求解时,传统上采用测量矩阵直接求逆方法来进行.为了克服矩阵求逆带来的计算量大和数值稳定性差的不足,利用测量矩阵的对称正定性,提出了一种基于矩阵 UTDU 分解的定位解算和精度因子计算方法.改进方法具有严格的数学理论基础,保证了方法的正确性和有效性.数值分析结果表明,相对直接求逆的传统方法而言,在定位解算时,该方法能降低约 60%的运算量,而在精度因子计算中,约能降低36%的运算量.且改进方法能大大降低求解矩阵的条件数,提高了求解的数值稳定性.      

卫星导航系统失效性能分析与重构方法研究

摘要： 以建成后的北斗卫星导航系统为对象,研究导航星座中有卫星失效下的星座性能和重构方法.分析不同失效模式下导航星座的服务性能,在此基础上建立导航星座重构构型的优化模型和基于遗传算法的导航星座重构构型优化设计方法;研究星座构型重构过程中卫星的机动策略和机动模型;针对某一具体的失效情况通过仿真计算验证重构模型的有效性和准确性并给出该失效情况下构型重构的机动方案.     

Minimum of PDOP and its applications in inter-satellite links (ISL) establishment of Walker-δ constellation

Within the next decade, there will be a number of GNSS (Global Navigation Satellite System) available, i.e. modernized GPS, Galileo, restored GLONASS, BeiDou and many other regional GNSS augmentation systems. Thus, measurement redundancies and geometry of the satellites can be improved. GDOP (Geometric Dilution of Precision) and PDOP (Position Dilution of Precision) are associated with the constellation geometry of satellites, and they are the geometrically determined factors that describe the effect of geometry on the relationship between measurement error and position error. GDOP and PDOP are often used as standards for selecting good satellites to meet the desired positioning precision. In this paper, the related conclusions of minimum of GDOP which was discussed are given, and it is used to study the minimum of PDOP for two cases that the receiver is on the earth’s surface and the receiver is on satellite. The corresponding theorem and constructive solutions of minimum of PDOP are given. Then, the rationality of the ISL (inter-satellite link) establishment criteria in Walker-δ constellation is discussed by using the theory of minimum of PDOP. Finally, the minimum of PDOP is calculated when the number of satellites is 4–10, and these results are verified by using Monte Carlo method.