基于星间链路的分布式导航自主定轨算法研究

针对脱离地面支持自主定轨的导航应用需求,提出了基于星间链路双向测距的自主导航定轨算法。文章分析了导航星座星间链路双向伪距测量模型,给出了分布式自主定轨数据流程,设计了导航星座基于星间链路分布式自主定轨算法。根据国际卫星导航服务组织公开的真实GPS系统事后精密星历,对本文设计的自主定轨算法进行仿真验证,结果表明：采用该设计的自主导航算法在自主定轨90天末期,用户测距误差（URE）达到30 m左右,验证了该设计的自主定轨算法具有较高的自主定轨精度。     

利用星载加速度计及星敏感器进行卫星定轨的新方法

介绍一种卫星自主定轨的新方法采用组合星载加速度计和星敏感器的方法测量卫星非保守力进行星上自主定轨.介绍了该方法用于卫星定轨的原理该方法利用星载加速度计测量载体坐标系下表示的卫星非保守力,然后利用星敏感器测量的姿态数据进行坐标转换,最后利用数值积分方法进行轨道确定.利用实际卫星飞行数据进行了验证.结果表明该方法用于卫星自主定轨是可行的,而且可以不依赖任何外部系统实现较高精度的星上自主定轨.该方法与传统的纯动力学法比较,计算简单,定轨精度高,定轨结果稳定,克服了传统定轨方法随时间发散的缺点.     

一种分布式信息融合的航天器实时轨道确定算法

针对传统航天器集中式实时轨道确定方法对计算中心依赖性强、鲁棒性差等问题,在分布式混合信息滤波算法(DHIF)的基础上,提出一种基于分布式信息融合的航天器实时轨道确定算法。通过该算法各测站融合自己和邻居节点的状态信息及量测信息,可同时对目标航天器进行局部实时定轨。该算法支持包含多类型传感器的观测网络,对定轨系统局部变化适应性强。仿真结果表明,该分布式定轨算法使各测站局部定轨精度优于单站滤波定轨精度,且一致逼近于多站集中式滤波定轨精度,测站局部定轨的收敛速度取决于测站网络通信的拓扑结构。     

基于联合定轨策略的星间相对测量自主定轨亏秩问题的改进

发展基于天基测控网的卫星测控定轨技术是克服传统地面测控方式缺陷的有效手段,而仅仅利用天基星间测量信息进行自主定轨易产生亏秩现象.为消除亏秩问题进一步提高定轨精度,本文以位置速度矢量作为轨道改进状态向量,对基于星间相对测量自主定轨亏秩问题的本质进行了再探讨,针对星间相对测量的三个应用领域中继卫星系统、编队卫星星座、双星定位系统提出了基于联合定轨策略的天地基测量信息融合的改进措施.以双星定位系统为例提出了数值融合联合定轨算法,并进行了联合定轨仿真实验.仿真计算结果表明,基于数值融合算法的联合定轨策略能够大大改善法方程系数矩阵的性态,两天观测数据下用户星定轨精度可以达到11.26米.     

DORIS系统自主在轨实时定轨的实现与精度分析

国家科技重大专项高分辨率空间对地观测项目的实施,对卫星平台的自主在轨实时定轨提出了新的需求。由法国发展的DORIS实时定轨系统虽已成功应用于多个对地观测平台,但该系统从未公布其原始数据和数据处理的技术细节,因此本文尝试利用DORIS地面主控站提供的ENVISAT标准格式多普勒数据,假设星上自主定轨时采用相同的数据,基于卡尔曼滤波算法实现（仿真）自主实时定轨。计算表明仅考虑简单的非球形引力模型,对于位置误差1km,速度误差1m/s的初始条件,2小时后滤波趋于稳定,滤波精度为十米量级,速度精度为厘米每秒级。为提高滤波计算效率,对坐标系统转换进行简化后,定轨精度仍在十米量级。基于DORIS仿真测量数据滤波计算表明,随着测量精度的提高和每圈观测弧段的增加,滤波计算的精度也会得到有效提高。     

基于磁强计与太阳敏感器的卫星自主定轨算法

针对低轨微小卫星,为了实现低成本自主定轨,并达到一定的定轨精度,提出了一种基于三轴磁强计和太阳敏感器数据,利用扩展Kalman滤波进行自主轨道确定的方法.分析了国际地磁参考场(IGRF)模型,建立了简化的太阳轨道模型,在此基础上,建立了以轨道位置和速度作为状态量,以地磁矢量的模值和地磁矢量与太阳矢量的夹角信息作为观测量的滤波算法.数字仿真结果表明,该算法是收敛的、有效的,同时通过比较表明引入太阳敏感器数据后,大大提高了定轨精度.     

基于新息趋势的纳卫星地磁定轨

针对地磁定轨系统受地磁偏差影响精度不高的问题,提出了一种基于新息趋势的自适应地磁定轨算法(AKF).该算法将地磁偏差建模为随机游走模型,使之参与滤波.在滤波器运行过程中,依据新息的变化趋势,实时调整滤波器状态.以Swarm-A卫星的观测数据的实验表明,该算法和传统滤波器相比具有计算量低,收敛速度快,定位精度高等优点.通...     

导航星座整网自主定轨的动力学短弧段伪逆平差法

针对传统静态自由网平差进行自主定轨存在的秩亏问题,提出一种卫星动力学短弧段定轨和自由网伪逆平差理论相结合的自主定轨算法。该算法以导航星座星间链路(ISL)双向测距为基础,利用伪逆平差法,解决整网位置解算起算数据不足带来的秩亏问题;同时,利用轨道动力学建立不同历元之间状态转移关系,解决单历元平差无法对速度分量进行有效估计的问题。仿真结果表明,自主运行90天,平均用户测距精度（URE）小于1 m（2σ）,优于导航星座自主运行指标要求,验证了本文算法的有效性。     

DORIS星载实时定轨算法仿真及DSP实现

针对我国高分辨率空间对地观测专项的发展需求,文章在星载多普勒无线电定轨定位（Doppler Orbitography and Radio-positioning Intergrated by Satellite,DORIS）系统的实时定轨算法和流程验证基础上,进行了应用背景限制下的模型简化研究,用数字信号处理器（DSP）实现并验证了其星载实现的可行性和有效性。首先介绍法国星载实时定轨软件（DORIS Immediate Orbit Determination by Embarked,DIODE）及定轨原理,给出星载实时定轨算法的流程。通过网站下载的DORIS接收机搭载星数据,对星载多普勒实时定轨算法的观测量修正部分和卡尔曼滤波定轨算法进行验证。针对星载实现的计算简化要求,对算法中计算量较大的地球非球形引力摄动和章动模型进行研究,对比不同模型复杂度对定轨结果的影响,为定轨算法模型的选取提供依据。最后将移植到DSP的程序运行结果与个人计算机下的仿真结果进行了对比,验证其星载实现满足精度要求,同时运行时间满足实时性要求。对如何提高实时定轨算法的性能,文章给出了后续应用的改进方向。     

天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

高超声速飞行器发射坐标系导航算法

针对高超声速飞行器弹道特点和导航参数的需求,提出基于发射坐标系(LCEF)的高超声速飞行器导航算法。首先,介绍发射坐标系下捷联惯导(SINS)算法编排,推导发射坐标系下姿态、速度和位置离散递推方程。然后,介绍地心地固系(ECEF)下的卫星位置和速度转换到发射坐标系的方法,推导发射坐标系的SINS/BDS组合导航滤波器状态方程和量测方程。最后,以助推-滑翔飞行器为对象,进行了发射坐标系下组合导航仿真,位置精度小于10 m,速度精度小于0.2 m/s。     

利用TDRSS信息的单向多普勒测轨方法

介绍了利用跟踪中继卫星系统（TDRSS）信息的单向多普勒定轨技术。分析了单向多普勒测轨的基本原理和系统组成，采用扩展卡尔曼滤波（EKF）法，推导用于自主定轨算法的卫星轨道测量状态及观测方程。讨论了影响滤波精度的状态变量和动力学模型精度等多种误差源及其该方法能达到的测轨精度。     

基于地磁场测量估计卫星姿态的UKF算法

提出了利用UKF（Unscented Kalman Filter）处理地磁场测量数据进行低轨道（LEO）卫星自主定姿的算法。通过使用估计姿态、轨道参数和国际地磁场参考（IGRF）计算得到的地磁矢量与三轴磁强计（TAM）的测量矢量之差作为更新信息，可以实现实时的姿态角和角速度估计。针对卫星稳态定姿、大角度快速机动的定姿以及姿态失控状态下的定姿等三种任务，分别用UKF和传统的EKF（Extended Kalman Filter）进行了数值仿真。仿真结果显示出本文提出的定姿算法的优越性。     

利用GPS非差观测值的GRACE卫星精密定轨

参照GPS精密单点定位（PPP，Precise Point Positioning）模型设计了一种新的卫星定轨方法一组合星载加速度计测量数据和IGS提供的GPS精密星历及精密钟差数据进行低轨卫星的精密定轨。利用星载加速度计提高卫星受力模型准确性，使动力法定轨精度和可靠性都得到提升。同时，采用多种改正技术提高GPS非差观测值测量精度，保证最终高精度卫星定轨。本文建立了卫星定轨的轨道滤波模型，得出了有益的结论，即采用星载加速度计测量卫星非保守力可提高卫星定轨精度，在ITRF2000参考系下三轴精度优于18cm。这种方法不需要在全球建市基准观测站．定轨设备简单．费用低廉．     

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。
     

近地卫星星历的高精度星载算法研究

随着星载计算机系统结构和性能的改善,利用星载计算机实现高精度的星历计算成为可能。本文针对近地轨道卫星提出了一种适合星上轨道预报的数值算法。通过采用简化的动力学模型和一种嵌套插值算法的积分器,有效提高了计算效率,降低了对星载计算系统的性能要求,从而实现高精度的卫星星历星载计算。该算法在星载计算机系统平台上进行仿真验证的结果表明,对于某飞行器可实现轨道预报1天优于1km的星历计算。     

基于BP神经网络的自主定轨自适应Kalman滤波算法

针对Sage Husa自适应滤波方法存在的窗函数开窗大小选择问题,提出一种基于BP神经网络学习估计系统协方差矩阵的自适应Kalman滤波算法。该算法以Kalman滤波预测残差向量作为网络输入,通过网络分段离线学习确定预测残差向量与预测残差协方差矩阵间的非线性关系,自适应地估计Kalman滤波系统协方差矩阵。将其应用到自主定轨系统,仿真结果表明利用本文算法自主定轨60天星座平均URE误差小于1.9米,且能够快速跟踪到系统噪声的突变,较Kalman滤波方法和Sage Husa自适应滤波方法具有更好的性能。     

基于地轴矢量解算的SINS无纬度支持自对准方法

针对无纬度条件下SINS初始对准问题,提出了一种基于地轴矢量解算的对准方法。在静止基座下,利用陀螺仪敏感地轴矢量,直接建立导航系轴向矢量在载体系的正交投影,解析式确定姿态矩阵;晃动基座条件下,根据惯性系重力矢量观测,构建以地轴矢量为旋转轴的两组等角旋转矢量序列,利用QUEST算法求解旋转四元数实现对地轴矢量的优化解算,并以此建立导航系轴向矢量的载体惯性系投影,最后利用陀螺跟踪载体系相对惯性系的变化,确定载体系相对导航系的姿态关系。静止基座解算实验表明直接解析式对准与传统的解析式对准精度相当,但解算效率得到了提高;晃动基座仿真与船载实验均表明基于四元数的地轴矢量优化解算在精度上要优于三矢量几何解算方法,引入低通滤波环节后,对准精度进一步提高。