北斗星座仿真的单天线姿态确定技术研究

载体姿态测量的实际需要和多天线姿态测量的局限性决定了单天线姿态测量系统拥有广泛的发展前景。分析了单天线测姿的应用价值和基本原理,从我国的具体国情出发,提出了基于北斗卫星星座仿真的单天线姿态确定技术研究的方法。利用STK平台对目前组网运行的北斗卫星星座和理想的北斗满卫星星座进行了仿真,利用Matlab平台进行了实验,仿真实验结果和误差分析表明,北斗卫星星座仿真的单天线姿态确定技术在适用条件和测姿准确性等方面效果理想,在一定精度要求下满足应用需要,对建立实用可靠的单天线测姿具有积极的推动作用。     

提高导航精度的载波相位平滑伪距方法研究

本文推导了基于载波相位平滑伪距技术的SINS/BD组合导航公式并进行误差分析.结合北斗卫星伪距的无模糊度和载波相位的高精度的特点,在组合导航系统中采用北斗载波相位平滑伪距的方法提高导航的精度,最终对处理效果进行实验验证.验证了此方法提高组合导航精度的有效性.     

利用旋转双天线载波相位双差的欺骗干扰检测技术

有效的欺骗干扰检测是防止卫星导航接收机被欺骗干扰攻击的前提。提出了一种基于旋转双天线载波相位双差的卫星导航接收机欺骗干扰检测技术,在对接收机双天线匀速旋转时输出载波相位测量值进行载波相位双差处理后,利用广义似然比检验实现了对单一发射天线输出欺骗干扰信号的检测。进一步分析了旋转半径和数据长度对检测性能的影响,并与旋转单天线和天线阵载波相位双差欺骗干扰检测方法的性能进行了对比。最后,通过蒙特卡罗方法进行了仿真验证,结果表明了该检测方法和检测性能分析的正确性。     

北斗三频海基JPALS无故障导航算法

基于卫星导航系统的海基精密进近与着陆系统(JPALS)是未来舰载机自主着舰引导技术的发展方向。针对当前海基JPALS导航算法的研究都是基于双频观测量,存在无几何滤波时间长、要求的伪距观测量精度较苛刻的问题,提出一种在北斗(BDS)海基JPALS中使用三频观测量的无故障导航算法。通过对在中国东海钓鱼岛海域7天时间使用该导航算法用于精密进近引导的性能进行仿真分析,结果表明:该北斗海基JPALS无故障导航算法使用B1/B2宽巷和B1/B3中巷组合的无几何模糊度预滤波架构只需要8min无几何滤波时间就能实现海基JPALS要求的性能,而且其对伪距观测量的精度要求甚至可以放宽到50cm,使北斗海基JPALS的可用性性能大大提高。此外,载波相位观测量精度不能超过0.7cm时,该北斗三频海基JPALS算法能在3nmile外就实现模糊度固定,使高精度载波相位提早用于海基JPALS精密进近引导。     

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     

基于载波相位增量的消模糊度和精确定位方法

利用高精度的导航卫星载波相位测量数据来确定目标位置是一种非常优良的技术途径,特别是用于准实时和事后处理确定运动目标的轨迹,更是有着显著的应用前景。然而,载波相位测量因存在整周模糊度,从而限制了它的应用。本文提出了基于载波相位增量建模思想,以及消除载波相位测量的整周模糊度和解算目标飞行轨迹的方法,可以有效地解决相应的问题,从而可以精确获取飞行器的高精度运动轨迹。     

利用GPS测量空间转移飞行器的姿态

在长时间的运行过程中,空间转移飞行器(STV)的惯性测量系统将积累过大的姿态误差。利用GPS可以对其姿态进行修正,以满足任务的需求。本文考虑了测量姿态的四种不同方法:推力矢量测定、差分GPS、相位时间三差和载波相位测姿。由于非常靠近空间站,空间转移飞行器上天线间隔的限制及相位时间三差求解需要很长的积分时间,我们选用载波相位测姿法。利用人马座顶上级代表空间转移飞行器的结构,载波相位的测量精度为0.2cm,本文证明了利用相位时间三差解初始的不对准误差对大部分飞行任务是可以接受的。GPS和高质量的惯性导航系统(INS)相结合,可以改进姿态测量方法,同时惯导系统还可辅助GPS接收机的载波跟踪环,保持载波相位的锁定。利用载波相位测姿法测量空间转移飞行器的姿态,至少要用4颗卫星。本文给出了一种选择有利卫星几何的几何方法。概括地讲,首先选择一颗最高仰角的卫星作为主星,然后在天线基线相反两侧选择低仰角的2#星和3#星,最后选择4#星,4#星远离其它3颗星,并且最好位于与基线垂直而不是包含基线的平面上。其目的是选择几何分布好的卫星,以便有良好的天线基线方位/俯仰灵敏度和良好的单位矢量差(GDOP)分布。本文介绍了对于一组卫星,一旦主星选定,如何从数学上计算方位/俯仰灵敏度。把方位和俯仰灵敏度及GDOP代入复合排序方程,以确定最佳的一个4颗星的星座,然后采用Magnavox研究的载波相位定位的算法,由这4颗卫星的载波相位,计算空间转移飞行器的姿态。     

一种基于乘性误差四元数的多天线瞬时测姿算法

为进一步拓展全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)测姿应用领域,提升多天线瞬时测姿性能,解决GNSS载波相位观测定姿中的模糊度搜索耗时和周跳探测复杂等问题,提出了一种基于乘性误差四元数的多天线姿态解算方法。使用滤波技术将姿态约束信息通过状态模型和当前观测模型融合,对模糊度进行降权处理,免去周跳探测步骤,从而实现瞬时姿态解算。仿真实验结果表明,新算法既保证了解算效果,又增加了数据处理的灵活性,且耗时更符合实时性需求。     

低轨导航星座增强BDS精密单点定位技术验证CSCD

首先介绍了低轨增强北斗精密单点定位(PPP)的观测模型、参数估计与数据处理策略。然后对低轨导航增强仿真验证系统及误差仿真配置进行了说明,基于验证系统仿真了全球20个监测站的北斗及低轨导航数据,并通过单北斗及低轨增强北斗静态PPP试验,给出了低轨增强北斗的高精度定位测试评估结果。结果表明,加入150颗低轨卫星观测量后,20个测站PPP精度收敛到10cm之内只需约1min;低轨增强北斗实现静态收敛后,定位精度东方向均值为1.5cm,北方向均值为0.3cm,高程方向均值为2.2cm。相较于北斗单独精密定位,20个监测站收敛后组合定位精度从5cm左右提升到3cm左右。加入低轨卫星可大大加快PPP收敛速度,提升定位精度,验证了低轨卫星在增强PPP精度和收敛速度上的优越性,同时仿真验证系统可支持全链路闭环仿真验证。     

平均场退火算法在GPS姿态确定中的应用

研究了基于GPS载波相位测量载体姿态的技术 ,采用了精度高速度快的平均场退火算法(MFANN)。MEFANN是竞争性的Hopfield神经网络和随机模拟退火算法结合起来的一种算法 ,用来求解最优姿态确定问题。首先阐述了GPS载波相位姿态测量基本原理 ,接下来建立了姿态测量系统数学模型 ,应用MFANN算法来解算整周模糊度和方位角 ,最后给出了应用MFANN方法求解的实例 ,说明该方法是有效的     

低成本GNSS接收机芯片载波相位测量技术

当前具备载波相位测量的GNSS接收机能够实现高精度定位,但其成本高、体积大,难以广泛应用于大批量的手机、平板电脑等消费电子产品。针对ST公司的STA8090接收机芯片并改进其软件和晶振以获得载波相位信息,采用双差和三差方程测试评估载波相位测量的精度,与测绘型接收机进行对比。基于改进的STA8090接收机芯片构建双天线定姿系统原型样机,静态测试评估了相对定位和定向精度。研究结果表明,千米级静态相对定位精度优于0.01m,在1.23m基线条件下定向精度优于0.1°。因此,采用低成本GNSS接收机芯片实现高精度载波相位测量的技术方案是可行的,具备广阔的市场应用前景。     

基于稀疏光流的无人机自主导航方案

提出了在无已知地面合作目标的情况下,给出高精度导航信息的基于稀疏光流的无人机(UAV)自主导航方案。通过计算两帧图像间的稀疏光流场,融合捷联惯导系统(INS)/电子罗盘/高度表系统/激光测距仪等传感器测量数据,构造两个H∞滤波器,分别对高度、姿态角与水平面上的速度误差进行估计。本导航方案适用于诸如无人机低空飞行阶段、进近阶段等不宜布置人工或已知地面合作目标的场合。使用自主开发的"无人机自主着陆实时仿真验证平台"对该方案进行仿真,结果显示本方案能够有效地抑制惯导系统由于漂移而造成的位置估计误差,同时可以给出精确的高度、速度与姿态角估计值。     

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.     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。     

暗室满天星立体星座布局设计与仿真分析

针对目前波束成形抗干扰终端测试手段相对欠缺的现状,结合现阶段国内外暗室测试系统建设情况,分析了暗室测试系统主要导航模拟以及抗干扰测试仿真需求。在对目前暗室不同天线星座模拟方案比较基础上,选择设计穹顶满天星立体星座布局方案,构建与真实环境高度逼真的暗室无线测试系统,模拟开放环境中可能面临的各个来向的导航信号。在对不同天线数量仿真精度进行分析基础上实现成果应用,有效解决了北斗装备特别是阵列天线抗干扰型北斗装备反欺骗抗干扰技术验证和性能评估室内测试难题,弥补了我国卫星导航系统安全应用和装备能力建设缺少相应测试评估手段的不足。     

北斗三频周跳探测与修复算法研究

载波相位观测值已越来越多地应用到增强系统中,由于观测环境影响,载波相位测量不可避免地会产生周跳,周跳的成功探测与修复是提高导航定位精度的一个重要因素。针对北斗卫星导航系统三频观测数据,分析其不同线性组合观测值的特性,选取合适的组合系数,形成一个伪距相位组合和两个无几何相位组合,采用历元间差分的方法探测和修复组合观测值的周跳,然后还原求解出原始信号的周跳,最后通过实验验证了该方法的可行性。     

北斗高动态双频相对定位技术

"北斗"卫星导航定位系统可以进行高精度单点定位和相对定位。本文针对该系统提出了一种相对定位选星策略,分析了几种双频组合方法及适用范围,给出了一种利用B1和B3频率进行双频载波相位差分的方法,并针对具体应用进行了仿真器环境试验验证,为"北斗"卫星导航定位系统建成后高精度相对定位应用提供参考。     

矢量结构对载波相位的预测

高精度定位通常采用载波相位测距，而当全球导航卫星系统（GNSS）接收机信号受到遮挡、存在干扰等环境影响时，载波相位易出现跟踪不连续的问题，从而影响定位精度。针对这一问题提出了一种采用矢量结构对载波相位的预测方法，预测值辅助载波相位的跟踪，为了使预测值对载波相位跟踪效果更好，使用接收信号的质量确定预测值对载波相位的影响比例。最后，试验验证了通过矢量结构对载波相位进行预测，有效地改善了载波相位的跟踪能力，从而对载波相位连续跟踪，并有效地提高定位精度。     

舰载武器捷联惯导系统极地传递对准算法

针对我国海军舰载武器捷联惯导系统的极地作战环境适应性问题,分析了武器惯导在极区条件遇到的两大挑战:极区航向输出与高精度对准问题。对于极区导航问题,在导航解算中设定不重合于地理系的格网导航坐标系以解决航向输出难题;对于高精度对准问题,也提出了格网导航系下的"速度+姿态角速率"匹配传递对准解决方案。最后通过模拟仿真舰艇极地航行条件,验证了格网导航以及传递对准方法在极地条件的适用性。     

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。