GPS软件接收机原理样机设计与实现

为了满足GPS/INS(Global Positioning System/Inertial Navigation System)超紧组合导航系统研究的需要,克服硬件接收机参数固定,适应性差的弱点,设计了一种参数可调、灵活控制的GPS软件接收机.采用GPS L1频率的中频采样信号,运用FFT(Fast Fourier Transform)频域捕获算法和锁相环与锁频环相互辅助的载波环路,实现了信号捕获、码环和载波环路跟踪、导航电文提取与解码、伪距及导航定位解算,并与NovAtel公司的FlexPax型硬件接收机进行了比较.跑车测试结果表明,该GPS软件接收机捕获迅速、跟踪准确,导航定位精度小于10m,动态抗干扰能力明显优于一般GPS硬件接收机,适合于GPS/INS超紧组合导航系统的应用.     

高动态GPS卫星信号模拟器设计与实现

介绍了高动态GPS信号模拟器的设计原理和组成,阐述了设计中的关键技术,并给出了软件和硬件实现方案。其中软件部分采用V isual Basic 6.0和V isual C 完成,硬件信号处理板采用FPGA完成,通过高速的计算机并口实现了软硬件之间通信。此系统被成功的应用到了卫星导航定位系统的研发过程中,工作性能稳定,具有了模拟器的基本功能,为验证接收机的定位性能、信号跟踪和捕获性能等提供了一个逼真的高动态信号环境。     

高动态GPS卫星信号模拟器导航电文生成

为了测试全球定位系统GPS(Global Positioning System)接收机的性能,应用GPS信号模拟器来模拟各种条件下真实的GPS信号.GPS卫星信号发生器由硬件、计算机和软件组成.软件主要由卫星导航参数计算模块、目标运动轨迹计算模块、误差计算模块等模块组成.导航电文产生功能模块是高动态GPS卫星信号模拟器要解决的一项关键技术.给出了3个卫星星钟改正参数的物理意义和星历产生模型,根据这些参数并结合相应的时间参数来形成卫星导航电文.通过程序仿真并与导航电文进行验证,证明推导出的星历产生模型基本符合GPS星的星座排列规律.     

基于PC／104的GPS定位定向仪设计

将PC/10 4嵌入式计算机应用到GPS定位定向系统中 ,设计了一套完整的软硬件系统 ,完成了小型化、实时性、高可靠的样机设计和调试。解决了GPS定向系统研制工作中的软硬件设计问题 ,为进一步提高GPS定向或定姿准确度提供了保障。     

用导航星全球定位系统(GPS)第二阶段用户设备进行时间发布

导航星全球定位系统是用卫星建立的一种导航系统。它采用频谱扩展技术使用户能得到高精度的全球定位、速度和时间信息。这是用测量一组四颗卫星信号到达时间差的办法得到的。GPS 与其协调世界时(UTC)有确定关系,因此用户能够把 UTC 估算到亚微秒准确度。系统的关键性能是,GPS 用户设备(UE)对于 UE 参考钟和 GPS 时之间时差的估算能力。这种估算可通过精密控制硬件误差和计算误差来完成。因此,要求用户设备(UE)采用一种低相位噪声和可预报漂移特性的高质量石英晶振。在活动设施上实现精密守时是 GPS 用户设备装置的基本工作原理。该装置及其接收机利用导航星 GPS 空间部分供给的信息,向用户提供导航情报、GPS 时和对应的 UTC 数据。讨论了机械编排 GPS 用户设备装置守时功能程序的复杂性。讨论内容包括硬件和软件补偿技术。本文强调了该装置的晶体振荡器频标的应用和效果。     

基于载波相位三差的航天器GPS/INS组合定姿算法

研究了一种利用GPS载波相位三差观测信息的多天线GPS/INS组合定姿算法,其中包含一个基于惯性测量信息的GPS载波相位周跳检测算法。最后,通过仿真分析验证了该组合算法可以有效提高定姿精度,同时具有较好的稳定性。     

GPS 时间同步技术及其在航天领域的应用前景

导航星全球定位系统(简称 GPS)是一项全新的卫星导航定位的高技术工程,是全球可共享的技术资源。它具有全球覆盖、全天候工作、全天24小时连续而实时地为无限多个用户提供高精度七维(三维位置、三维速度和时间)信息的能力。实时定位精度可达10m 以内,事后处理的定位精度可达1m 左右。测速精度可达0.1—0.01m/s。时间传递和时间同步精度可达10—1ns(10~(-9)s).本文简要介绍了 GPS 的概况和国内外开发研究的动态。着重就 GPS 时间传递的原理、力法和误差做了较深入的分析和论证。报道了国内首次 GPS 共视法时间同步大型试验的情况和取得的结果。最后,作者专门论述了 GPS 技术在航天领域的应用前景。     

卫星不足情况下低成本MEMS-INS/GPS伪松组合导航

为了解决GPS可观测卫星不足情况下低成本微电子机械-惯性导航系统/全球定位系统（MEMS-INS/GPS）组合导航精度维持问题,提出基于灰色模型和自适应卡尔曼滤波的MEMS-INS/GPS伪松组合导航方法。以MEMS-INS/GPS松组合导航模式为框架,建立了伪松组合导航系统的状态空间模型。基于MEMS-INS/GPS的历史观测数据,使用灰色模型对MEMSINS/GPS观测差值进行预测,称为系统伪观测量。当GPS可观测卫星充分时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波对MEMS-INS/GPS进行松组合导航;当GPS可观测卫星不足时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波依据系统伪观测量,将MEMS-INS/GPS进行伪松组合导航。以车载低成本MEMSINS/GPS组合导航系统为例进行仿真和实验验证,结果表明：当GPS可观测卫星不足时,传统的MEMS-INS/GPS松组合导航精度迅速下降并发散,而MEMS-INS/GPS伪松组合导航精度与GPS正常工作时的导航精度相差不大,维持了较高精度的导航状态。     

利用星地差分GPS的地基测控系统实时标校方法

针对地基测控系统传统标校方法和基于差分GPS事后标校方法的不足,提出了一种基于低轨卫星与地面测控站之间星地差分GPS的地基测控系统测量误差实时标校方法。与基于差分GPS的事后标校相比,实时标校能使地基测控系统及时获取标校后的测量数据,从而实时进行轨道解算和预报,并及时上注以提升卫星运行性能。针对星地长基线、高动态和实时标校场景,系统地分析了影响星地基线估计性能的各项误差及修正效果,并提出相对位置精度因子的概念,由此得到星地基线估计精度预算。采用基于抗差自适应卡尔曼滤波的实时星地基线估计算法,并利用加权最小二乘法求解测控系统测量误差,从而获得校准结果。利用星载双频GPS接收机和导航信号模拟器构建半实物仿真平台,仿真结果表明,实时标校后测距系统误差残差降低到40cm左右,测速系统误差残差降低到1cm/s以下,与理论分析结果一致,可以较好地满足未来航天任务的测控需求。     

RLV导航系统硬件配置方案及信息处理技术

在对RLV (Reusable Launch Vehicle, 可重复使用航天运载器) 的轨道特性进行详细分析的基础上, 提出了RLV 导航系统的硬件分段配置方案. 针对RLV 对导航系统高容错性、动态适应性和智能化水平的要求, 提出了基于动态贝叶斯网络理论的容错式组合导航信息处理方法. 利用基于动态贝叶斯网络理论的传感器动态选择控制器, 实现传感器件组合的动态自主优化配置和系统实时健康监控.      

初级教练机中的低成本导航仪组合导航算法设计

为了解决初级教练机低成本组合导航仪中全球定位系统(GPS, Global Positioning System)信息更新频率过低,导致传统组合导航算法失效的问题,在对惯性器件进行建模的基础上,提出了一种基于运动学非线性模型的组合导航算法.该算法选取载体的姿态、速度和位移量作为状态量,以GPS、磁强计和高度计的测量值作为观测量,建立组合导航系统模型,利用卡尔曼滤波对线性化后的系统模型进行数据融合.通过静态试验和动态跑车试验,表明该组合导航算法能够使姿态误差均值控制在0.12°以内,速度误差均值不大于0.03m/s,位移量误差均值不大于3.94m,精度能够满足初级教练机的应用需要.     

Integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop simulations for autonomous satellite formation flying

Development and experiment of an integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop (HIL) simulator for autonomous satellite formation flying are presented. The integrated simulator system consists of an orbit HIL simulator for orbit determination and control, and an attitude HIL simulator for attitude determination and control. The integrated simulator involves four processes (orbit determination, orbit control, attitude determination, and attitude control), which interact with each other in the same way as actual flight processes do. Orbit determination is conducted by a relative navigation algorithm using double-difference GPS measurements based on the extended Kalman filter (EKF). Orbit control is performed by a state-dependent Riccati equation (SDRE) technique that is utilized as a nonlinear controller for the formation control problem. Attitude is determined from an attitude heading reference system (AHRS) sensor, and a proportional-derivative (PD) feedback controller is used to control the attitude HIL simulator using three momentum wheel assemblies. Integrated orbit and attitude simulations are performed for a formation reconfiguration scenario. By performing the four processes adequately, the desired formation reconfiguration from a baseline of 500–1000 m was achieved with meter-level position error and millimeter-level relative position navigation. This HIL simulation demonstrates the performance of the integrated HIL simulator and the feasibility of the applied algorithms in a real-time environment. Furthermore, the integrated HIL simulator system developed in the current study can be used as a ground-based testing environment to reproduce possible actual satellite formation operations.     

基于自由软件的GPS／INS组合导航系统设计

自由软件运动的兴起，带给导航系统一个全新的设计模式，即根据所设计的导航系统定制实时内核，将应用层的设计和内核层的设计融合在一起。文章将自由软件应用到导航系统设计中，提出了基于自由软件的导航系统设计方法，并给出了基于自由软件uC／OS的GPS／INS组合导航系统的实现，经实验验证，本系统具有良好的性能。     

基于GPS的三维姿态确定系统研究

论述了基于GPS姿态确定的原理、方法、步骤。首先，利用最小二乘平差校准基线，得到基线的准确长度及相互间的几何关系；随后，可以利用这些约束条件加速模糊度求解过程，适于实时应用。通过估计基线向量得到姿态粗解，以粗解为初值进行迭代最小二乘平差，最后得到最终的姿态解。通过一个实验系统验证，给出了实验结果。     

Onboard orbit determination using GPS observations based on the unscented Kalman filter

Spaceborne GPS receivers are used for real-time navigation by most low Earth orbit (LEO) satellites. In general, the position and velocity accuracy of GPS navigation solutions without a dynamic filter are 25 m (1σ) and 0.5 m/s (1σ), respectively. However, GPS navigation solutions, which consist of position, velocity, and GPS receiver clock bias, have many abnormal excursions from the normal error range for space operation. These excursions lessen the accuracy of attitude control and onboard time synchronization. In this research, a new onboard orbit determination algorithm designed with the unscented Kalman filter (UKF) was developed to improve the performance. Because the UKF is able to obtain the posterior mean and covariance accurately by using the second-order Taylor series expansion through the sampled sigma points that are propagated by using the true nonlinear system, its performance can be better than that of the extended Kalman filter (EKF), which uses the linearized state transition matrix to predict the covariance. The dynamic models for orbit propagation applied perturbations due to the 40 × 40 geo-potential, the gravity of the Sun and Moon, solar radiation pressure, and atmospheric drag. The 7(8)th-order Runge–Kutta numerical integration was applied for orbit propagation. Two types of observations, navigation solutions and C/A code pseudorange, can be used at the user’s discretion. The performances of the onboard orbit determination were verified using real GPS data of the CHAMP and KOMPSAT-2 satellites. The results of the orbit determination were compared with the precision orbit ephemeris (POE) of the CHAMP and KOMPSAT-2 satellites.     

高精度SINS/CCD/GPS组合导航系统研究与仿真

选取捷联惯导系统误差作为系统状态,利用捷联惯导系统(SINS)与电荷耦合器件(CCD)星敏感器各自的姿态矩阵输出构造量测,设计SINS/CCD组合导航算法;利用SINS与全球定位系统(GPS)各自的速度、位置输出构造量测,设计SINS/GPS组合导航算法。然后,利用联邦型卡尔曼滤波技术,将各子滤波器输出的系统状态局部最优估计值送入主滤波器,通过全局最优融合算法计算得到系统状态的全局最优估计值。仿真结果表明,基于SINS/CCD/GPS的组合导航系统具有很高的导航精度,达到了3.5m的定位精度和9″的航向精度,非常适用于飞行器的高精度导航定位。     

基于RT-LAB的组合导航仿真平台设计

设计了一种基于RT-LAB的SINS/GPS/CNS（Strapdown Inertial Navigation System/Global Positioning System/Celestial Navigation System）组合导航系统仿真平台方案,建立具有故障检测、隔离和系统重构能力的基于联邦卡尔曼滤波器的姿态、位置、速度组合导航系统方案和结构.将SINS与GPS的位置之差和速度之差作为SINS/GPS子滤波器的观测量,通过CNS给出的载体惯性姿态信息获得SINS的姿态误差角测量信息.仿真结果表明,该系统方案具有较强的容错性能、较高的导航精度和很强的实时性能,为组合导航技术的研究提供了有益的参考.     

Instantaneous BeiDou–GPS attitude determination: A performance analysis

The advent of modernized and new global navigation satellite systems (GNSS) has enhanced the availability of satellite based positioning, navigation, and timing (PNT) solutions. Specifically, it increases redundancy and yields operational back-up or independence in case of failure or unavailability of one system. Among existing GNSS, the Chinese BeiDou system (BDS) is being developed and will consist of geostationary (GEO) satellites, inclined geosynchronous orbit (IGSO) satellites, and medium-Earth-orbit (MEO) satellites. In this contribution, a BeiDou–GPS robustness analysis is carried out for instantaneous, unaided attitude determination.