导航星座星间链路信号捕获搜索策略研究

针对导航星座星间链路信号动态范围大、捕获性能要求高之间的矛盾,利用星历信息辅助信号捕获。在此基础上,分析了信号捕获串行搜索、码并行搜索和频率并行搜索的计算代价,给出了不同信号体制和星历误差下各搜索策略对应的运算量表达式,并结合典型的应用场景进行了算例分析。分析结果表明星间信号捕获在星历误差较小时采用串行搜索策略具有最少的计算量,在星历误差较大时采用码并行搜索策略计算量最少。     

导航星座的自主定位与守时研究

星座自主导航技术能有效地提高导航星座的自主导航能力和星历精度,增强系统的生存能力。分析了基于星间测距信息的星座自主导航方法,推导了星间测距信息的位置与时间的解耦模型与条件,提出首先进行位置更新,然后进行时间更新的解算流程。根据状态方程与量测方程的特点,推导了适合导航星座自主导航解算的分布式卡尔曼滤波算法。并给出了关键的仿真技术。仿真表明：通过双向测距信息,能有效地实现导航星座的自主定位,保持星间高精度的时间同步。
     

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。     

一种深空天文测角导航中的星历误差抑制方法

以火星探测器为例，提出一种以星光角距/时间差分星光角距作为量测量的星历误差抑制方法，分析了火卫一星历误差对导航精度的影响，建立了火卫一时间差分星光角距的量测模型。通过将火星星光角距和火卫一星光角距相结合，发挥了两种量测的优势，实现了对火卫一星历误差的抑制。仿真结果表明，基于星光角距/时间差分星光角距天文导航方法的位置误差是传统基于星光角距天文导航方法的64%，是基于时间差分星光角距导航方法的58%。此外，还分析了导航恒星个数、火星敏感器精度、火卫一敏感器精度、星历误差大小和滤波周期对导航性能的影响。     

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。
     

一类适用于各种轨道类型的导航卫星广播星历研究

导航卫星广播星历是卫星导航定位的基础,要求有较高的精度和实时性。GPS和GLONASS广播星历形式适合于某一类卫星轨道,但存在一定局限性。利用切比雪夫多项式拟合导航卫星轨道,拟合系数作为广播星历的参数发布,这是一种新的广播星历形式,可作为各种轨道类型的导航卫星的广播星历参数,而且具有精度高、计算速度快等特点。     

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.     

导航卫星星座整体旋转的检测与校正

研究了利用星间距离观测值或速度观测值进行导航卫星自主定轨时存在的卫星星座整体旋转的问题，并提出了消除该系统误差的地面校正法。利用含有系统误差△Ω的卫星星历进行单点定位时，求得的点位大地经度也会产生△L的偏差，且△L=△Ω，因此，由点位大地经度差△L即可确定卫星星座整体旋转误差。试验结果表明，△Ω与AL的差值不到10^-5秒，从而证实该方法是有效的。     

基于遗传算法的全球导航星座重构研究

全球卫星导航系统在部分卫星失效的情况下会引起地面导航性能下降甚至造成导航服务中断,但卫星数量众多的全球导航星座本身具有一定冗余性,在少数卫星失效时可以通过调整剩余工作卫星的轨道来降低失效影响。这种星座重构的维护方式具有快速响应故障和故障针对性强的特点。在星座重构中涉及到选取调整卫星及其轨道参数的问题。分析了用遗传算法实现星座重构方案优化的编码、适应度选取和进化过程,利用C 结合STK和GALIB完成了对24MEO 4GEO构成的全球导航星座在3颗以下MEO卫星失效时的星座重构方案优化,并对多种星座重构的轨道机动方案进行了对比。     

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。     

三星时差定位系统的有源校正算法

针对三星时差（TDOA）定位系统中,由星历误差和时间同步误差导致无法精确定位的问题,提出一种基于正交投影的两步迭代有源校正算法。该算法首先利用正交投影将时间同步误差从观测方程剔除,然后引入一个与辐射源位置和星历误差有关的中间变量,通过对中间变量的最优估计消除星历误差对定位精度的影响,最后利用中间变量求解出目标辐射源位置。仿真结果表明,所提算法定位性能的仿真值和理论值均可以达到克拉美-罗界（CRLB）,当TDOA观测噪声较小且有3个以上参考源时,可以完全校正星历误差和时间同步误差对定位精度的影响。     

导航星座自主时间基准的相对论效应

从相对论框架下导航星座自主时间基准定义及其生成原理出发,对其实现要素进行了相对论分析及改正,包括卫星原子钟和星间链路测量量相对论效应,并以GPS、BDS为例计算说明。得出以下结论:1)卫星钟相对论常值由地面频率调整实现预修正,周期累积钟差则根据卫星星历实现实时计算和改正;在此基础上,2)星间链路伪距测量相对论效应主要是星间信号传播相对论效应,对中高轨卫星其最大影响为cm量级;3)星间链路多普勒测量相对论效应则是由卫星钟周期项频率变化引起,对小偏心率中高轨卫星而言,其对星间径向相对速度最大影响量在1 cm/s左右。分析结果有助于提高导航星座自主时间基准的准确度,并对深空测量和天基时间基准研究具有一定参考意义。     

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。     

一种24参数GPS广播星历方案研究

针对进一步降低广播星历拟合误差,文章提出了一种改进的GPS 24参数广播星历,并给出了广播星历的改进算法。实验结果表明:对于4h拟合长度,GPS全星座所有卫星、所有弧段的三维位置拟合性能均有显著提升,三维位置拟合误差的均方根值和最大值分别降低87%和47%,以三维位置拟合误差的均方根值作为评价指标,改进的GPS 24参数广播星历拟合精度达到毫米级。     

激光星间链路快速捕获技术综述

介绍了激光星间链路终端的指向误差建模、终端指向误差在轨标定、激光星间链路扫描捕获参数优化及链路中断恢复重捕获4个方面的国内外发展现状,指出了须重点研究的几个方向,包括涵盖全面误差要素的非线性指向误差模型的建立、在轨观测数据获取方法的改进、激励轨迹的优化设计与参数估计方法的合理选取以及针对链路中断恢复重捕获方法研究,最后结合全球导航星座的特点提出适应导航星座的激光链路快速捕获技术研究建议。     

轨道面旋转角对GEO卫星广播星历参数拟合的影响

广播星历参数拟合是建立卫星导航系统的一项关键技术,星历用户算法的简洁高效直接决定了用户导航定位的效率。在基于GEO、IGSO和MEO三类卫星的北斗二代导航定位系统中,GEO卫星的广播星历参数拟合是迫切需要解决的难点之一。基于广播星历参数的最小二乘解法,推导出了轨道面旋转角对广播星历参数的影响表达式,分析了轨道面旋转角的大小对广播星历参数拟合稳定性的影响。计算结果表明,通过增加轨道面旋转角不仅很好地解决了GEO卫星广播星历参数超限的问题,而且确保了广播星历参数拟合算法的精度和可靠性。     

卫星导航系统星座可用性分析

星座可用性指标是在用户层面上反映星座工作状态的重要指标.随着卫星在轨运行时间的增加,卫星的可靠性会不断降低,星座可用性也会随之下降.在考虑卫星故障概率的条件下,本文提出综合运用贝叶斯网和马尔科夫链进行星座可用性分析的方法,剖析了导航星座中卫星故障与导航应用服务中断之间的相互关系,简化了星座可用性的建模过程.结合中断分析数据,量化评估了星座可用性,并利用灵敏度分析找出星座薄弱环节.该方法可为导航星座设计方案优化权衡提供量化依据.     

增强型轨道列表星历及其在北斗混合星座中的应用

为了改进北斗卫星数小时内的力模型精度,分析日月引力摄动和光压摄动的短期变化特性,提出基于二次多项式逼近日月引力摄动的15参数增强型轨道列表星历模型。利用该星历模型对北斗的5 GEO + 5 IGSO + 4 MEO混合星座进行了为期11天的星历拟合实验。结果表明,三类卫星在非地影期的2小时星历拟合精度优于1 cm。增强型轨道列表星历模型没有轨道根数的潜在奇点问题,能够为我国北斗星座和星基增强系统提供更多可行的星历模型选择。     

改进的卫星广播星历参数模型及其算法

考虑导航卫星受地球周期性的摄动力影响,提出了一种改进的导航卫星星历参数模型,给出了模型参数的计算方法和用该模型外推卫星轨道的计算步骤。仿真计算结果表明：该广播星历参数模型外推能力强,可较好地拟合卫星运动轨道。     

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。