使商用GPS接收机达到空间质量

GPS技术可以获得高于以往的导航精度,其商业和军事应用快速增长,但GPS的空间应用刚开始出现。GPS技术空间应用的第一步是使GPS接收机具备空间质量,并且能以有竞争力的价格买到。Barnes工程部与Ashtech公司合作,将使现有的Ashtech商用GPS接收机改造得具备空间质量。该机性能超过大多数现有的GPS接收机,不仅导航精度高,而且能测量姿态。 以商用GPS接收机设计方案为基础,对其进行改造使之具备空间质量,相对于从头开始有许多好处。达到空间质量的工艺包括辐射屏蔽、散热分析和承受严酷空间环境能力的测试。本文中,我们将说明改造商用设计方案达到空间质量的好处及达到空间质量所涉及的内容,还讨论星载GPS接收机的总体性能要求。     

用于航天器的GPS姿态和轨道确定技术

ＧＰＳ接收机的进展已可用于空间导航和姿态确定。正在研制的ＧＰＳＴｅｎｓｏｒ＾ＴＭ将作为空间固态ＧＰＳ姿态和轨道确定接收机，并将进行质量合格检验。     

利用GPS进行近地轨道确定和会合导航

本文介绍了GPS用于近地轨道确定和会合导航的性能研究结果。目前为陆地、海上和空中导航开发的一些技术正在扩展到空间环境。对两个近地航天器上的GPS接收机系统的实际工作情况进行了仿真研究,以此评价了GPS系统的相对和绝对导航精度。为该性能仿真研究提供一个逼真的基础,拟制了一些动力学和环境模型。仿真研究获得了两项重要结论:1)轨道上用一台GPS差分基准接收机给其附近另一些GPS接收机提供信息,可以将这些接收机的绝对定位精度提高到基准站所能达到的精度。2)从同4颗GPS卫星测得测量值的两台同型号接收机,其相对定位精度(1σ)每轴向可以达到1.8m(P码)和20m(C/A码)。相对速度误差每轴小于0.04m/s。当接收机拉开相当距离时,差分GPS和相对导航技术的精度下降不明显。     

低成本GPS/INS综合姿态测位系统

廉价固态惯性传感器技术取得很大进展,使得惯性测量设备(IMU)的价格下降到10,000美元左右。测地和导航研究所(IfEN)购买了这种IMU,即SystronDonners公司的MotionPak~(TM),用来开发GPS/INS综合姿态确定系统。至于综合系统中的GPS接收机,IfEN选用了天宝公司的先进导航传感器(TANS)Vector接收系统,这是一个多天线测姿测位系统。 IfEN开发了实时导航软件,利用MotionPak陀螺仪和加速计的输出计算位置、速度和姿态。这些计算值与从TANS Vector得到的位置、速度和姿态信息在卡尔曼滤波器中综合处理。试验结果表明该系统可以达到0.1°的姿态确定精度(RMS)。本文介绍了这种低成本GPS/INS综合系统,包括GPS和INS硬件,数据获取和软件。     

瞬时GPS测姿试验:解周期模糊度

作为美国海岸警卫队及美国陆军支持的6年研究的成果,Adroit系统公司(ASI)开发出了基于GPS的姿态确定技术。对该技术进行了测试和验证,并已用于具有多种用途的多个系统上。这些系统中的一种设备就是通用导航仪表,目前已可提供海用商业设备。其它应用包括通用导航、水文绘测、浮标定位,瞄准及用于天线瞄准的通信卫星定位。 GPS姿态确定由载波相位干涉测量来完成。从几个天线取出来自至少两颗卫星的相位测量值,并进行比较计算出姿态。GPS姿态确定的关键问题是周模糊,即一对GPS天线之间能嵌入的未知整载波周期数目。解该模糊的常用方法需要多个时刻的观测值。当卫星和/或天线运动时,比较时间上先后获得的测量值,逐渐消除候选解,找到正确的解。该方法存在的问题是,需要一段时间的相关相位测量值才能找到正确的解。这意味着接收机开机后以及信号中断或周滑动后恢复工作(除了接收机重新锁定相位所需的初始化和恢复时间之外)之后,系统需要一段很长的初始化时间。 AS姿态确定的新方法利用单时刻的冗余测量值来获得瞬时姿态解,而不需要初始化或恢复时间。对于接收机可提供相位测量值的每个时刻,大体上都可以计算姿态解并解周模糊,而不依步前时刻的测量值。因此,信号中断及周滑动后系统可立即恢复,接收机一打开刚提     

GPS导航系统用于H—Ⅱ轨道飞机

本文论述GPS导航系统应用于H-Ⅱ轨道飞机(HOPE)的情况。HOPE是一架将于90年代末发射的日本空间运输飞行器。准备用日本的下一代主要运载器H-Ⅱ火箭发射,完成各种轨道操作后自行返回地球。 GPS导航系统是HOPE在轨段、交会段、离轨段和进场段的安全导航重要部件。本文介绍了GPS接收机设计和轨道确定的研究结果,特别注意了伪距和伪距增量的预期波动、高动态忍耐性、首次定位时间(TTFF)、天线位置和导航性能等。将在轨道再入实验飞行器(OREX)上安装GPS接收机,预先验证该接收机的设计方案。OKEX将于1993年由第一发H-Ⅱ火箭发射。用OREX进行GPS实验的主要目的在于鉴定GPS导航系统在轨道运行和再入过程中的功能和特性,然后再将其安装在HOPE上。本文还描述了该实验的各个细节。     

空间用GPS测位测姿设备

劳拉航天系统公司和天宝导航公司将开发一种适于空间应用的全球定位系统姿态确定设备,该设备可取代目前用于姿态控制的一整套笨重传感器。这种称为GPS Tensor的新型低功率全固态设备有望减小卫星尺寸和重量并降低测姿设备的成本。 通常,卫星是利用一个太阳和地球敏感器及陀螺仪的组件来测定姿态的,而GPS Tensor     

基于嵌入式平台的MEMS/GPS 组合导航系统实现研究

主要研究基于PC104平台的MEMS/GPS组合导航系统硬件实现方法.首先设计了对MTi-30 MEMS器件与GPS接收机的数据采集软件,基于统计分析方法分析建立了传感器的误差模型参数,构建了MEMS/GPS组合算法模型,基于MEMS惯性器件和GPS接收机实测数据确定了Kalman滤波器的系统噪声阵及量测噪声阵模型参数;然后利用实际测量数据进行了MEMS/GPS组合系统导航性能仿真;最后基于PC 104嵌入式平台,构建了MEMS/GPS组合导航系统原理样机,分别在静态和动态情况下完成MEMS/GPS组合导航算法实时测试,导航结果验证了硬件平台及导航算法的正确性.     

Discussion for Deeply-coupled GPS/INS Technology

面对未来信息化、电子化战争复杂的电磁环境和高速、超高速精确制导武器发展需求,传统GPS/INS组合导航技术很难满足武器性能指标的要求.而GPS/INS深组合导航系统能在高动态和复杂电磁环境下为精确制导武器提供稳定、可靠、精确的导航信息,实现精确制导武器在复杂战场环境下对目标的精确打击.因此GPS/INS深组合技术成为近来人们的研究热点.深组合技术除了传统意义上利用GPS接收机信息修正INS之外,同时,采用INS导航数据还能对GPS接收机载波跟踪环路进行外部辅助,剔除信号中的动态信息,减小GPS接收机载波跟踪环对信号的跟踪范围,压缩环路带宽,提高接收机在高动态环境下工作稳定性和接收机抗干扰性能,以保证组合导航系统的可用性和可靠性.     

数字式跳频GPS/GLONASS接收机

在很多应用场合,对大量扩频导航卫星连续跟踪将获益匪浅。当接收机跟踪多于定位所需最小卫星数目时,通过优选卫星几何可提高卫星导航精度。动态定位可利用冗余卫星来实现更迅速的整周期判决和跳周修正。陆地导航利用额外的卫星可克服建筑物、树林和地形造成的遮挡。比较多个星座的测量值能获得有关导航稳妥性的度量。跟踪大量卫星的好处已引起人们研制能同时处理美国GPS和苏联GLONASS信号的接收机的兴趣。已经推出了几种接收机设计方案,但所有这些接收机中处理GLONASS信号的硬件都是与处理GPS信号硬件分开的。本文介绍一种高度综合的GPS/GLONASS接收机,接收机中的每一卫星跟踪通道都能随意指定它接收任一个GPS或GLONASS卫星。该接收机有一个模拟射频/中频(RP/IF)前端,用一个固定频率的本振(LO)。定制的数字专用集成电路(ASIC)跟踪选定的GPS/GLONASS卫星,并提供相关测量值送软件处理。本文介绍的GPS/GLONASS接收机利用了数字信号处理技术和有限脉冲响应(FIR)滤波器的新成果。该综合接收机的模拟RF/IF前端大大地简化了,然而其性能可与使用相当复杂模拟RF/IF电路的接收机相比拟。GPS和GLONASS之间的跳频完全在数字域中进行,不必象早期设计方案中那样用昂贵的跳频本振。深入利用数字处理技术,GPS/GLONASS接收机可采用大规模集成电路,将多个通道集成在一个芯片上。这样可大大减小体积,节省成本,不久即可推出商用多通道GPS/GLONASS接收机。     

利用GPS提高测量船的测位和测姿精度

测量船是海上活动观测站,船上配有精密跟踪测量雷达和光学经纬仪等测控设备。要精确观测空间飞行器的运动轨迹或弹道,就必须精确测定船体的位置、速度、姿态和航向。我国早期测量船上的导航系统使用局限性很大,而且相当落后,已经不能满足当代海上作业的精度要求,急需更新。 目前,美国GPS已全面投入运行,利用该系统测定测量船的位置和姿态,不仅精度高,实时性强,而且操作简便,设各成本低。借助差分导航、组合导航等技术还可以进一步提高其定位测姿精度。不久的将来,俄罗斯的Glonass也将投入运行,且工作性能与GPS基本一样,可作为GPS的补充导航能力。     

加州差分修正公司准备在全球开展差分修正业务

美国加里福尼亚州的“差分修正”公司打算很快建立一个全球性地基接收机网,以便为用户提供极精确的导航和定位信息。已在8个美国城市投入运行的系统,通过调频无线电台向用户发送信号。利用这些信号来修正用GPS卫星直接确定的位置数据。以往,只有美国军方才能接收GPS卫星发送的高精度信号。军方将高精度信号加密,防止敌方利用该信号精确引导导弹打击目标。卖给民间用户的GPS接收机只能接收低精度信     

瞬时GPS姿态确定

本文介绍了瞬时GPS姿态确定方法,即只用单时刻测量值解GPS积分多普勒波长的模糊度。以前解相位模糊所用的大部分技术需要作某种形式的依赖GPS卫星和/或用户运动的时间历程处理,为消除不合理解提供足够的几何变化。本文介绍的算法假定使用两副以上天线(全部姿态确定需用三副以上天线),并从四颗以上卫星由一或两个GPS L波段载波测得积分多普勒测量值。利用专门的双差分处理得到测量误差不相关的观测量,用于计算天线相对位置及两个以上姿态欧拉角。针对利用4颗以上卫星及2副以上天线及一或两个GPS L波段载波频率(包括86cm宽巷道测量值),开发和演示了GPS姿态确定中快速解双差分载波相位模糊的算法。为希望瞬时GPS测姿的用户找出了实际设计极限。姿态快速确定中的重要因素之一是用户接收机跟踪的卫星数目,GPS金星座对此有很大好处。     

利用GPS提高测量船的测位和测姿精度

测量船是海上活动观测站，船上配有精密跟踪测量雷达和光学经纬仪等测控设备，要精确观测空间飞行器的运动轨迹或弹道，就必须精确测定船体的位置，速度，姿态和航向，我国早期测量船上的导航系统使用避限性很大，而且相当落后，已经不能满足当代海上作业的精度要求，急需更新。目前，我国GPS已全面投入运行，利用该系统测定测量船的位置和姿态，不仅精度高，实时性强，而且操作简便，设备成本低，借助差分导航，组合导航等技术还可以进一步提高其定位测姿精度，不久的将来，俄罗斯的Glonass也将投入运行，且工作性能与GPS基本一样，可作GPS的补充导航能力。     

电离层对GPS相对大地测量的影响

本文分析了对 GPS 相对大地测量有重要影响的电离层误差特性。电离层误差、星历预报误差和对流层延迟误差是影响 GPS 测地精度的三个主要误差源。借助高精度数字式 GPS 接收机(如 T14100GPS 导航接收机),星历估计和预报技术在日益改善。现在正在研究精确的对流层延迟修正技术,例如使用便携式水汽辐射计测量大气中水汽含量对 GPS 信号延迟的影响。为了获得相应的 GPS 测地精度还必须重视电离层误差的修正。本文讨论了三维基线精度,它随电离层条件、电离层修正精度、基线间隔、定向和事后处理方法而变化,给出了使用 T14100GPS 导航接收机和德克萨斯仪器公司 Geomark 事后处理软件包的实际测量结果。     

INS辅助GPS接收机及抗干扰能力的分析

针对高动态或低信噪比条件下GPS卫星信号容易失锁的特点,根据GPS接收机码／载波跟踪环特性,研究分析了惯性导航（INS）辅助GPS接收机原理及其抗干扰能力。在复杂电磁环境下,INS辅助GPS接收机（特别是紧耦合GPS/INS组合模式）是组合导航的发展方向。     

GPS即将更新换代

GPS星座的更新换代将从2005年3月份发射第一枚Ⅱ R-M型卫星开始。与此同时,GPS接收机也在更新。如果美国和欧盟能够按照签订的协议走下去,使欧洲的伽利略导航卫星与GPS具有一定互操作性,全球卫星导航系统将会向前迈出一大步     

基于GPS／DR的车辆导航系统研究

本文研究了GPS和航位推算系统的组合导航技术，给出了GPS／DR组合导航系统的设计方案。由GPS接收机、压电陀螺仪和车载里程仪组成的多传感器系统通过卡尔曼滤波器实现信息融合，以提高GPS／DR组合系统导航精度。同时也对GPS／DR系统的MAP图像处理、软件流程和工程实现做了简要说明。     

GPS仿真器设计

GPS是当今世界运行最为广泛的卫星定位、导航系统,研究GPS仿真器的设计,从而为飞机模拟器提供虚拟定位数据具有重要的现实意义.通过GPS卫星星座运动分析、最佳定位四颗星选择和GPS接收机设计,将由飞机仿真计算机得到的飞机位置信息转换成CPS信号输入飞控计算机,以实现GPS导航仿真实验.     

基于计算机视觉/GPS/MG姿态测量的盲人行走组合导航方法研究

电子导盲辅助装置(ETA)是解决盲人出行困难的重要手段,而导航是ETA的关键技术.现有的ETA主要用GPS来定位定向,但在城市环境中经常存在GPS信号遮挡导致导航信息丢失的问题.针对该问题,利用视觉导航短时间内定位精度高,输出连续的优点以及 MG(Magnetic Gravity)姿态测量可补偿姿态积累误差的优点,提出一种基于视觉、GPS和MG姿态测量的盲人行走组合导航算法.该方法构建系统误差模型并以Kalman滤波为框架.仿真和实验结果表明,提出的组合导航算法准确度优于单独的导航算法,满足盲人户外安全出行导航的需求.