一种全天时星跟踪器相对惯导的安装阵在线快速估计方法

全天时星跟踪器与捷联惯导组成的惯性/天文组合导航系统具有精度高、自主性强等优点,在飞机、无人机、船舶等领域具有广泛的应用前景。组合导航系统长时间工作中力热变化导致安装矩阵漂移进而影响导航系统精度,全天时星跟踪器由于天空光影响视场小,一次只能观测一颗恒星,无法根据一副星图直接进行安装阵估计。提出了一种基于Levenberg-Marquart （L-M）算法的捷联惯性/天文组合导航系统安装阵在线快速高精度估计方法,利用捷联惯导姿态测量值,将不同时刻的观测星矢量转移到同一时刻同一坐标系中,构造多颗观测星的观测矢量误差与导航星矢量最小二乘目标函数,利用自适应步长的L-M算法对其进行迭代求解,实时得到系统安装矩阵的变化量。试验结果表明,使用该方法后星跟踪器在捷联惯导本体坐标系的输出恒星投影矢量精度提升了1倍以上,在线估计时间优于5 ms,满足用户实时性和高精度要求。     

捷联惯导系统的一种系统级标定方法

针对三轴转台定位精度高的特点,设计了一种基于速度误差和姿态误差角作为观测量的系统级标定方法.在捷联惯性测量组合(SIMU)的导航误差方程和惯性器件误差参数模型的基础上,推导了导航速度误差和姿态误差角与IMU的误差参数所呈现的关系,依此给出了最简单的位置编排准则.通过观测不同位置下捷联惯导系统的速度误差变化率和姿态误差角,辨识IMU的误差模型系数,进而达到高精度捷联惯导系统标定目的.     

基于星光导航分离陀螺仪漂移误差方法研究

星光/惯性组合制导方式集中了两种方式的优点,可在导弹飞出大气层后通过对导航星的观测校正陀螺仪误差系数。在研究了星光导航的特点和陀螺仪误差特性的基础上,提出了通过旋转弹体观测特定位置的导航星,利用星光导航系统分离陀螺仪漂移误差系数的方法。结果表明:利用导航恒星高精度基准可以分离陀螺仪漂移误差系数,准确地确定陀螺仪漂移误差模型,对于提高导弹的精度具有重要意义。     

空间信号完好性监测技术研究

星基增强导航系统(SBAS)通过向用户提供用户差分距离误差(UDRE:User Differential RangeError),来保证广播星历和星钟改正数的精度。本文设计了UDRE的一种改进算法,建立卫星导航系统星钟和星历误差的状态方程和量测方程,进行卡尔曼滤波计算星历与星钟误差改正数与改正精度,通过滤波误差估计精度矩阵计算UDRE,并做了相应的仿真分析和比较,结果表明:改进算法能够对UDRE做出更好的估计来满足星历及钟差改正误差相对应的伪距误差的置信限值。     

基于多频GNSS观测的编队星间相对定位样条表示模型

从编队卫星的高精度星间相对定位需求出发,基于未来全球导航卫星系统(GNSS)多频信号测量体制的发展,综合利用观测数据与待估参数的几何关系以及待估参数随历元连续变化的约束,根据函数逼近理论,提出基于多频GNSS观测的编队星间相对定位样条表示模型,给出多频数据相对于双频数据、样条表示模型相对于传统逐点模型在改善星间相对位置...     

分布式卫星干涉测高系统编队构形优化设计方法

 分布式卫星干涉合成孔径雷达（InSAR）编队构形设计是系统总体设计的关键问题。从系统测高性能优化角度出发,提出分布式InSAR编队优化设计一般方法,将其概括为求解一个优化问题,以主星带辅星群体制分布式InSAR为例建立目标函数,针对其星载双站、斜视、空间基线等特点建立测高精度与辅星轨道根数的关系,基于近似的相对运动数学模型对该优化问题进行简化,并采用遗传算法求解。在此基础上,对多颗卫星组成编队以提高系统测高性能提出了一种多星编队设计方法。仿真分析表明,经优化得到的编队测高性能要优于干涉车轮和钟摆编队,该结果验证了优化设计方法的有效性和正确性。     

弹载大视场星惯组合深度融合导航技术

为了降低弹载星惯组合（Stellar-INS）飞行中段对调姿观星的要求，提高星惯组合姿态精度，提出了大视场（LFOV）星惯组合深度融合导航方法。小视场（NFOV）星敏感器输出星矢量为主，大视场星敏感器可同时输出姿态和星矢量信息，分别推导了基于星敏感器输出姿态和星矢量信息的观测方程，分析了星矢量和姿态观测方法之间的关联性。建立了包含星惯安装误差、陀螺误差以及初始平台误差角的星惯组合全误差项模型，基于线性卡尔曼滤波给出了深度融合导航方法。开展了数学仿真验证，分析了不同调姿观星路径约束下，大/小视场星惯组合性能差异。结果表明，大视场星惯组合深度融合导航方法不仅可以降低调姿观星约束要求，还可以实现组合姿态性能提升。     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

基于扩维QLEKF的脉冲星/星间定向组合导航

面向星座卫星高精度自主导航技术需求,设计了一种融合X射线脉冲星和星间定向观测信息的组合导航方法。通过X射线探测器获得脉冲到达时间观测量,照相观测星相机和星间链路设备获得星间相对位置矢量观测量,设计导航滤波器对观测量进行处理,估计参与导航的星座卫星的运动状态。针对地球星历误差影响组合导航性能的问题,将地球相对于太阳系质心的位置扩充为状态向量,设计了扩维扩展卡尔曼滤波器,利用敏感器观测量对导航所需的地球位置矢量进行实时估计,从而削弱地球星历误差的影响。进而,针对滤波器参数选取影响状态估计精度的问题,设计了一种Q学习扩展卡尔曼滤波器（QLEKF）,主要思路是利用Q学习方法的决策能力,自适应地选择适当的滤波器参数以改善估计性能。数学仿真结果表明,所提方法能够有效减小地球星历误差对星座自主导航的影响,取得优于传统滤波算法的定位精度。     

基于气压高度辅助的机载自主完好性监测算法

卫星接收机自主完好性监测是指根据用户接收机的多余观测值监测用户定位结果的完好性,其目的是在导航过程中检测出发生故障的卫星,并保障导航定位精度。针对卫星接收机自主完好性监测算法可用性不足的问题,结合机载实际导航系统配置,提出了一种基于气压高度表辅助的机载自主完好性监测算法。综合利用卫星导航系统及气压高度表观测信息,建立联合系统的观测模型,推导了基于多解分离的完好性监测及保护级别计算方法。仿真结果表明,相比于传统的接收机自主完好性监测算法,该算法在可见星为5颗时仍能识别故障卫星。该算法具有更好的故障检测能力及可用性,能有效提高卫星导航系统的完好性监测性能,从而保证卫星导航系统的精度和可靠性。     

高超声速飞行器组合导航算法

以高超声速飞行器为对象,建立了卫星/惯性组合导航模型。选择组合系统的状态量并建立状态方程,推导位置观测方程和速度观测方程,通过位置、速度交替组合实现卫星/惯性系统的组合。通过仿真验证算法的有效性,仿真结果表明卫星/惯性组合导航可以得到较好的位置和速度信息,适中的姿态精度信息。     

An autonomous celestial navigation method for LEO satellite based on unscented Kalman filter and information fusion

A reliable and secure navigation system and assured autonomous capability of satellite are in high demand in case of emergencies in space. Celestial navigation is a fully autonomous navigation method for satellite. To near earth satellite, the earth direction is the most important measurement and the horizon sensing accuracy is the most important factor which effects celestial navigation accuracy. According to the mode of acquiring horizon measurement, satellite celestial navigation methods can be broadly classified into two approaches: directly sensing horizon using earth sensor and indirectly sensing horizon by observation of starlight atmospheric refraction. For these two methods are complementary to each other, a new Unscented Kalman Filter (UKF) based information fusion method is proposed here for hybriding them. Compared to the traditional celestial navigation method, this method can provide better navigation performance and higher reliability. The hardware-in-loop test results demonstrate the feasibility and effectiveness of this method, in most cases the accuracy is sufficient for near earth civilian satellite and moreover it can be used as a backup system to provide redundancy.     

北斗空间信号误差统计特征及描述方法研究

通过对比北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)广播星历与事后精密星历,提取了轨道和卫星时钟误差。基于北斗轨道误差及北斗卫星时钟误差统计特征分析,构建区别于全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的BDS空间信号用户测距误差(Signal-In-Space User Range Error,SISRE)描述方法,对BDS广播星历中用户测距精度(User Range Accuracy,URA)进行了验证。6个月的北斗数据测试结果表明,北斗GEO、IGSO和MEO卫星的URA分别为3.0m、1.9m和1.6m。     

基于Starlink机会信号/INS的组合导航方法

针对全球卫星导航系统(GNSS)因频点单一、落地功率低、易受电磁干扰以及存在覆盖较差区域等潜在的被拒止或被干扰导致的导航系统性能降低甚至失效的问题,提出了一种基于星链(Starlink)机会信号融合惯性导航系统(INS)的飞行器动态组合导航方法。首先分析了星链信号体制,建立了基于星链星座卫星下行机会信号的瞬时多普勒定位观测模型,设计了一种基于频率细分的快速最大似然多普勒频率估计方法,然后建立了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的Starlink机会信号/INS的组合导航模型,并对该导航方法进行了实验及分析。结果表明,该方法可为飞行器提供长航时、连续、高精度的导航。动态飞行情况下,该方法可实现平均优于25 m的三维定位精度和平均优于0.1 m/s的速度估计精度,比相同观测时间下的惯导精度提高了1～2个数量级,显著提高了飞行器的导航精度,可为战略导航提供方法和技术支撑。     

地球卫星星光折射导航量测量及其性能对比

星光折射天文导航是一种重要的地球卫星自主导航方式,量测量是影响其导航精度的重要因素。在地球卫星星光折射导航中,折射视高度、星光折射角、折射星像素坐标（折射星矢量）是3种常用的量测量,结合星光折射导航的基本原理重点介绍了这3种量测量的获取方法和量测模型,通过仿真和可观性分析比较了相同条件下3种量测量的导航性能。仿真结果表明,由于折射星像素坐标可以同时反映星光折射的大小和方向可观性高,而星光折射角和折射视高度仅能反映星光折射的大小,无法反映其方向可观性低,因此折射星像素坐标的导航性能优于星光折射角和折射视高度。此外,本文也对星敏感器精度、卫星轨道高度、星敏感器安装夹角3种因素对3种方法导航性能的影响进行了分析。     

Navigation message designing with high accuracy for NAV

Navigation message designing with high accuracy guarantee is the key to efficient navigation message distribution in the global navigation satellite system（GNSS）. Developing high accuracy-aware navigation message designing algorithms is an important topic. This paper investigates the high-accuracy navigation message designing problem with the message structure unchanged.The contributions made in this paper include a heuristic that employs the concept of the estimated range deviation（ERD） to improve the existing well-known navigation message on L1 frequency（NAV） of global positioning system（GPS） for good accuracy service; a numerical analysis approximation method（NAAM） to evaluate the range error due to truncation（RET） of different navigation messages; and a basic positioning parameters designing algorithm in the limited space allocation. Based on the predicted ultra-rapid data from the ultra-rapid data from the international GPS service for geodynamic（IGU）, ERDs are generated in real time for error correction.Simulations show that the algorithms developed in this paper are general and flexible, and thus are applicable to NAV improvement and other navigation message designs.     

BDS-3观测数据质量分析及精密定轨

当前,北斗卫星导航定位系统正处于快速发展阶段,在全球GNSS卫星导航定位领域中受到了越来越多的关注,分析BDS-3卫星观测数据质量以及钟差性能对中国北斗导航事业的发展与应用具有重要意义。深入分析了IGMAS监测站BDS-3卫星的数据质量,同时采用现有的观测数据进行了BDS-3卫星三天弧段的定轨实验。结果表明,轨道重叠弧段1D RMS径向优于20cm,钟差重叠弧段STD精度优于1ns。为准确掌握BDS-3卫星钟差的时频特性,利用估计的钟差数据计算了BDS-3卫星钟差频率稳定性指标,其千秒稳定度、万秒稳定度和日稳定度分别为4.64×10-13、8.55×10-14和1.28×10-14,相对于BDS-2系统最高提升了25.89%。     

SINS/BDS紧组合系统中自适应 两阶段扩展卡尔曼滤波

在实际应用中，以伪距/伪距率为观测量的SINS/BDS紧组合导航系统，存在量测噪声的统计特性与实际不相符的情况，传统扩展卡尔曼滤波（EKF）方法无法有效解决这一问题，从而引起滤波误差增大。提出了一种SINS/BDS紧组合导航系统的GDOP估算及在线估计量测噪声的自适应两阶段EKF（ATEKF）方法，该方法使用经过紧组合修正后的SINS输出的位置，并结合星历数据中提供的卫星位置求解GDOP。在此基础上，利用GDOP值以及新息，实现了紧组合导航系统的量测噪声方差阵（Rk）的在线实时估计，从而达到自适应滤波的效果，改善导航精度。