一种基于星载GNSS接收机的高轨卫星自主导航滤波算法

星载GNSS接收机在低轨卫星自主导航和精密定轨等应用领域已经显示了高精度、高自主性、不依赖地面支持等技术优势。对于高轨卫星应用,星载GNSS接收机面临一些新的挑战。由于需要接收来自地球另外一侧的GNSS旁瓣信号,使得用户等效测距误差和几何分布因子恶化,引起标准定位性能下降。特别的,对于只能使用GNSS广播星历的实时自主导航应用,GNSS广播星历引入了非白噪声特性的用户测距误差。其难以被经典的EKF滤波方法平滑,限制了自主导航定位精度。文章研究一种基于星载GNSS接收机的高轨卫星自主导航滤波算法,该算法使用增强扩展卡尔曼滤波器（Augmented EKF）融合轨道动力学模型与GNSS观测数据,并对GNSS广播星历引入的系统性误差进行动态估计以削弱其对最终导航定位的影响。最后,通过仿真平台进行了算法验证。仿真结果显示,使用单GPS可在GEO轨道达到优于10米（3D RMS）的导航定位精度。文章提出的方法达到与国际先进产品同等精度,可用于高轨卫星高精度自主导航。     

基于GPS测量数据的卫星在轨轨道预报算法研究

为提高微小卫星的在轨轨道预报能力,针对常用的低轨近圆卫星轨道,根据解析的轨道动力学模型,基于无奇点变量的拟平均要素法,用Kalman滤波技术给出了一种卫星解析星历参数在轨估计算法,用GPS测量信息对相关星历模型参数进行在轨估计。给出了算法流程。先由外部标志判断滤波器初始化状态,若需初始化,则可基于GPS测量数据,或地面上注星历参数,或上次滤波所得星历参数进行;若初始化已完成,则对星历模型参数进行Kalman滤波,得到更新的星历参数。给出了滤波算法中轨道预报、残差计算、量测计算和UD分解的计算模型。仿真结果表明:对轨道高度450km以上的近地圆轨道,7d内的预报精度优于20km。算法具自启动(自初始化)、收敛性佳、对测量数据的采样要求不严格等优点,实用性好。     

应用星载GNSS接收机的Molniya轨道卫星测定轨方法

针对传统地基测定轨技术应用于Molniya轨道卫星时跟踪弧段不足和定位精度低的问题,提出了应用GNSS信息的测定轨方法,以满足任务对定轨和预报精度要求。分析了Molniya轨道对GNSS星座的导航信息可用性,研究了应用GNSS导航解的轨道确定及预报方法,仿真计算了两种数据精度模式下导航解作为测量数据参与轨道估算的定轨预报误差,并分析了测量轨道圈数和跟踪模型偏差等因素对定轨预报精度的影响。仿真结果表明:利用2圈的导航解参与运算的定轨误差在15m以内,预报6天的位置误差在60m以内。此方法具有精度高、稳定性好和数据需求量少等优点,对未来大椭圆轨道卫星测定轨工程实践具有借鉴意义。     

导航星座自主星历更新技术

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精确确定和轨道短时预报两个方面的内容.相比之下,卫星轨道短时外推预报容易实现.因而,本文在系统地论述导航星座自主导航信息处理流程的基础上,重点提出一整套由星间双向伪距和测量方程、卫星受摄轨道系统状态方程、以及协方差匹配自适应Kalman滤波组成的卫星自主轨道确定算法.仿真结果表明：利用星载Kalman滤波器处理星间双向测量数据,卫星自主轨道确定精度和用户测距精度可以分别达到5.40m、1.86m,能够满足用户高精度导航应用需求.初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性.     

GEO卫星GNSS导航在轨长期性能验证与分析

为对地球静止轨道(GEO)全球卫星导航系统(GNSS)自主导航性能进行验证,用通信技术试验卫星二号实际在轨工作数据,在我国首次对GNSS导航的长期在轨性能进行实测和试验,并对导航精度进行评估。介绍了GEO上GNSS导航原理和通信技术试验卫星二号的GNSS导航系统。设计了转移段(GNSS天线未展开)和定点后GNSS天线展开前后的导航性能试验。给出了转移段GPS/GLONASS的可用星数、GNSS的位速解算结果,以及定点后GNSS天线展开前后GNSS捕获的星数与可用星数、位置精度因子和位速精度,并说明了性能试验的有效性。结果表明:在转移段,在GNSS接收机在部分弧段可捕获到导航星4颗以上,位速解算结果正确,且位速一致性好,GNSS导航系统可用;定点后GEO上观测到的GNSS星数量满足自主导航使用要求,获得的位速精度符合仿真预期,GNSS天线展开后位置精度因子和位速精度明显优于展开前。连续48h数据获得的实测位置精度优于30m,速度精度优于0.05m/s。本次在轨试验证明了GNSS用于GEO轨道卫星是可行的,为我国高轨卫星自主导航和在轨自主管理提供了重要支撑。     

朔月期间基于SEMOI的卫星自主导航方法研究

为解决朔月期的卫星自主导航,提出了一种利用日地月光学信息(SEMOI)的实现方法。利用朔月期卫星-太阳方向矢量与卫星-地球方向矢量间夹角,由迭代最小二乘法估计历元时刻的卫星定位数据,并以轨道预报方式实现卫星自主导航。给出了计算流程。仿真结果表明,该法的定位精度可满足民用卫星的导航要求。最后讨论了采样周期和敏感器精度等因素对定位精度的影响。     

基于联邦UKF算法的月球探测器自主组合导航

研究了月球探测器在地一月转移轨道阶段的自主导航方法，提出了利用地月位置信息和星光角距测量信息实现探测器自主组合导航的方案。针对导航系统的状态方程非线性的特点，将Unscented卡尔曼滤波算法和信息融合技术相结合，设计了新的联邦滤波器并应用于自主导航系统中。对这种导航方案进行了数值仿真，和传统的联邦滤波算法进行了比较。仿真结果表明，所提出的组合导航方法和联邦滤波算法的导航位置估计精度约为1km，速度估计精度约为0．01m／s，并且具有良好的鲁棒性和容错性能。     

近地卫星磁测自主导航算法研究

地磁场具有较为完善的数学模型，而地磁场矢量是卫星位置的函数，利用三轴磁强计的测量信息即可实现近地卫星的自主导航。本文提出了采用UKF(Unscented Kalman Filter)滤波作为处理磁测自主导航问题的滤波算法。基于unscented变换，UKF滤波算法能够给出更精确的均值和协方差的估计，从而带来更高的精度。本文以地磁场矢量为测量量，进行了数学仿真。仿真结果表明：经UKF滤波后，卫星总的位置误差在1km(3σ)以内。通过比较可知，该方法比传统的扩展Kalman滤波(EKF)有更好的收敛性和更高的精度。     

导航卫星星载自主轨道预报技术

全球导航星座自主导航技术对卫星自主轨道预报精度和计算速度提出了新的高要求,结合地面长期轨道预报精度现状和星载计算机性能,提出一种基于地面上注长期电文的卫星自主轨道预报技术。该技术的主要特点有二:首先,充分利用地面上注电文的高精度和高凝练度,可兼顾参考星历的高精度和节省星上存储资源;其次,选用状态转移的星上分析解算法,与地面上行注入、星上存储的方式相比,可大大节约星地上行数据量、星上数据存储量和计算量。通过仿真试验对计算资源、存储资源消耗和预报精度作了统计分析,结果表明,采用该技术进行星上自主轨道预报,计算资源占用少、计算速度快、预报精度高,该技术对于导航星座自主导航总体技术有着重要应用价值。     

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。
     

XNAV算法及其整周模糊度确定方法研究

X射线脉冲星导航(XNAV)是一种新型的航天器天文导航方法.研究了利用脉冲星脉冲相位观测信息进行导航卫星自主定轨的算法.首先分析了X射线脉冲在卫星和太阳系质心之间的传播时间方程,然后利用卫星与太阳系质心之间的相位差分观测量建立了系统的观测方程;结合导航卫星的轨道动力学特性,采用扩展卡尔曼滤波算法估计卫星的轨道.考虑到卫星轨道动力学预报得到的卫星位置值具有较好的精度,提出直接利用该位置预报值快速确定整周模糊度,并验证了该方法的可行性.数学仿真表明,该导航算法能够精确确定导航卫星在 l惯性系F的绝对位置.     

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。     

基于积分多普勒平滑伪距的导航算法研究

载体处于高动态机动、障碍遮挡、信号干扰和多路径等复杂环境时,GNSS接收机跟踪环路易发生信号失锁和相位失调,导致载波相位观测值发生较大变化,采用载波相位平滑伪距将严重影响导航精度。为改善GNSS接收机导航性能,对电离层效应及延时校正模型进行了研究,基于α-β滤波算法提出了基于积分多普勒平滑伪距的导航算法。实验结果表明:采用该算法在静态、动态条件下定位精度优于5m,测速精度优于0.05m/s,可显著提高GNSS接收机的导航精度。     

一种利用剩磁标定的星光/磁测备份自主导航方法

针对空间机动平台GNSS导航系统易受干扰的缺陷,提出一种基于剩磁标定的磁测/星光备份的自主导航方案。当GNSS信号完好时,利用GNSS高精度测量信息和磁强计/星敏带剩磁干扰的联合测量信息不仅可实时估计出机动平台导航参数,同时准确标定出运行环境的剩余磁场强度;当GNSS信号受干扰中断时,在剩磁准确标定的基础上启用磁场/星光备份自主导航方案完成机动平台的导航参数实时估计。由仿真结果可知,当GNSS信号正常时该导航方案具备较高的剩磁标定精度,三轴标定误差为0.026nT,0.293nT,0.107nT;而当GNSS信号受干扰时,备份导航方案三轴位置估计误差为87.3m,172.5m,65.2m,三轴速度估计误差为0.78m/s,0.86m/s, 1.04m/s。 仿真结果表明该方案具备较强的可行性。     

导航卫星光压建模及表面光学特性参数影响分析

为分析某导航卫星（为表述方便,下文称为B导航卫星或B卫星）的表面光学特性参数变化产生的影响,本文首先参考GPS光压建模方法,结合B卫星的结构、控制及轨道特点,构建了一种适合B卫星的分析型光压模型。在该光压模型的约束下,分析表面光学特性参数变化产生的影响。最后利用建立的光压模型进行轨道预报,与精密星历等实际数据比较,验证了模型并分析了表面光学特性参数对轨道预报的影响。     

X射线脉冲星导航中钟差的可观测性问题

标准X射线脉冲星导航(XNAV)能够求解航天器的位置信息,但航天器钟差会导致XNAV的结果产生误差.鉴于脉冲星周期的稳定性,在利用XNAV进行轨道估计中,将钟差作为状态变量进行估计的授时方案已被相关学者提出.一种针对卫星轨道修正专门设计的可观测性分析工具在文中给出,利用其能够有效地判断各个状态的可观测性情况.利用该方法分析将钟差作为状态变量的导航方案,其结果表明仅需2颗脉冲星就可以对全部轨道六根数,以及卫星钟差进行观测;仿真结果验证了可观测性分析结论,双脉冲星导航时系统可以达到60m的定位精度和60ns的授时精度.对比仿真同时揭示了该方案能够有效地抑制钟差对导航精度的影响,将由于钟差引起的定位误差减小20倍以上.理论分析与仿真表明,将钟差作为状态变量的导航方案是一种能够有效地估计钟差,并抑制钟差影响、提升系统估计精度的导航方案.     

航天器近程编队自主协同相对导航方法

针对GNSS(全球导航卫星系统)拒止环境下近圆轨道多航天器近距离编队自主协同相对导航问题,提出了利用测角相机偏离航天器质心安装时的杆臂效应和多航天器之间几何一致性约束来实现相对导航的方法。首先,在第二轨道坐标下分别建立了基于Hill Clohessy Wiltshire方程的多航天器编队相对轨道演化模型、测角相机偏离质心安装情况下的相对视线角测量模型;然后,引入多航天器之间几何约束建立了相对轨道状态的一致性约束模型,并基于该约束模型设计了一致性扩展卡尔曼滤波估计算法;接着,对所建立的相对导航模型进行了相对轨道状态的可观测性分析,得到了使相对轨道可观测的相机偏置安装条件;最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了校验,并与一致性无约束条件下的估计算法进行了对比分析。仿真结果表明,本文所提算法的相对位置误差能够快速收敛,在5 m传感器偏置和10 -3 rad量级测角误差条件下,多航天器相对定位误差在10 m以内。     

卫星自主轨道确定的自校准滤波

研究在导航敏感器测量带有系统偏差情况下的卫星自主轨道确定问题,已有的大量研究表明这类系统偏差是影响自主轨道确定系统性能的关键因素.针对这一问题,本文基于线性时变系统的可观性理论证明了系统偏差为未知常值时,自主导航系统的状态和常值偏差都是可观的.在此基础上设计了将系统偏差作为状态向量新增分量的自校准滤波器以估计轨道参数,同时校准系统偏差.数学仿真结果表明,采用自校准滤波可以将自主导航的位置精度从10km（3 σ）量级提高到200-500m（3σ）.     

基于日地月方位信息的月球卫星自主导航

采用自主导航技术，可以降低月球卫星的任务成本，提高其生存能力。现研究了利用太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器测量出的卫星-太阳、卫星-地球和卫星-月球方向矢量作为观测量，采用迭代最小二乘方法、定历元时刻的卫星状态，并以轨道预报的方式实现月球卫星的自主导航。对该自主导航算法进行了数学仿真，分析比较了敏感器精度、部分轨道参数等因素对定位精度的影响，总结了其变化规律。最后对比了迭代最小二乘方法与扩展卡尔曼滤波的导航仿真结果，结果表明前者具有更高的精度。     

基于紫外敏感器的卫星自主导航方法研究

研究了卫星利用CCD紫外敏感器进行自主轨道确定的方法。敏感器通过地球紫外图像提供地心方向矢量及姿态误差信息进而确定卫星轨道。采用Unscented卡尔曼滤波算法,对紫外敏感器测量精度、姿态误差、部分轨道参数以及地球模型对导航精度的影响进行了仿真验证。仿真结果表明本方法具有较高的定轨精度,其导航误差主要取决于紫外敏感器测量精度和卫星姿态误差。