基于星间距离测量的高精度自主导航

研究利用地球卫星和月球卫星之间的测距信息进行自主导航的方法.基于三体摄动轨道动力学方程和星间测距信息,可以同时确定参与导航的地球卫星和月球卫星的绝对位置;但是在初始位置误差较大的情况下,导航系统的定位性能会受到影响.为了解决这一问题,提出基于"星间测距+紫外导航敏感器"的组合导航方法.采用该导航方法,能够在初始位置误差和紫外导航敏感器测量误差较大的情况下实现高精度自主导航.基于Cramer-Rao下界(CRLB)分析了组合导航系统的性能,并通过数学仿真验证了该导航方法的有效性.     

Novel closed-loop approaches for precise relative navigation of widely separated GPS receivers in LEO

This paper deals with the relative navigation of a formation of two spacecrafts separated by hundreds of kilometers based on processing dual-frequency differential carrier-phase GPS measurements. Specific requirements of the considered application are high relative positioning accuracy and real-time on board implementation. These can be conflicting requirements. Indeed, if on one hand high accuracy can be achieved by exploiting the integer nature of double-difference carrier-phase ambiguities, on the other hand the presence of large ephemeris errors and differential ionospheric delays makes the integer ambiguities determination challenging. Closed-loop schemes, which update the relative position estimates of a dynamic filter with feedback from integer ambiguities fixing algorithms, are customarily employed in these cases. This paper further elaborates such approaches, proposing novel closed loop techniques aimed at overcoming some of the limitations of traditional algorithms. They extend techniques developed for spaceborne long baseline relative positioning by making use of an on-the-fly ambiguity resolution technique especially developed for the applications of interest. Such techniques blend together ionospheric delay compensation techniques, nonlinear models of relative spacecraft dynamics, and partial integer validation techniques. The approaches are validated using flight data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission. Performance is compared to that of the traditional closed-loop scheme analyzing the capability of each scheme to maximize the percentage of correctly fixed integer ambiguities as well as the relative positioning accuracy. Results show that the proposed approach substantially improves performance of the traditional approaches. More specifically, centimeter-level root-mean square relative positioning is feasible for spacecraft separations of more than 260 km, and an integer ambiguity fixing performance as high as 98% is achieved in a 1-day long dataset. Results also show that approaches exploiting ionospheric delay models are more robust and precise of approaches relying on ionospheric-delay removal techniques.     

提高卫星导航性能的阵列参数估计算法

针对卫星导航信号参数估计性能严重影响导航定位精度,提出了一种利用电磁偶极子对提高信号波达方向和极化参数估计性能的方法。充分利用接收数据协方差矩阵,通过两次特征分解,由特征分解的特征值进行极化参数估计。利用小圆环子阵导向矢量得到波达方向的粗略而无模糊的估计,大圆环子阵导向矢量得到有模糊的估计,通过解模糊得到精确的无模糊的估计,从而大幅提高了到达角的估计精度。比较了单个圆环阵列和同心圆环阵列的参数估计性能,分析了参数估计精度对抗干扰性能的影响,仿真结果表明参数估计精度的提高有效改善了卫星导航抗干扰的性能。     

应用灰度特征的行星陨石坑自主检测方法与着陆导航研究

针对陨石坑阴影不明显的行星着陆导航图像,提出了基于图像灰度值特征的陨石坑自主检测方法,通过兴趣区快速确定陨石坑边缘分布,解决了一般陨石坑检测方法对图像太阳高度角的依赖问题。利用检测出的陨石坑视线信息,采用非线性预测滤波方法估计着陆器着陆阶段的位置和姿态;鉴于视觉着陆导航对照了场景状况的高度依赖性,提出了一种利用分形理论和相邻点分级方法的天体随机地景建模方法。最后验证了所提方法的有效性。     

全球导航卫星系统互干扰评估分析及启示

介绍全球导航卫星系统(GNSS)信号互干扰问题的现状,总结卫星导航系统互干扰评估测试的两种方法,即多径误差评估方法和载噪比评估方法的基本理论和研究现状,结合卫星导航系统的发展需求,对比提出了方法之间的局限性。针对我国卫星导航系统的发展情况,提出基于频谱隔离系数的等效载噪比方法作为卫星导航系统信号互干扰评估方法,以及相关的发展建议。     

A two-position SINS initial alignment method based on gyro information

This paper presents a method to improve the accuracy of and reduce the time needed for the initial alignment of strapdown inertial navigation systems. The new method is based on the conventional two position method enhanced by the use of gyro information. After presenting the problem of initial alignment and identifying the key issues – low accuracy and long convergence time, the paper introduces the two position method showing the improvement of performance but not on convergence time. By using gyro information in the new method, precision is improved and time for alignment reduced. The discussion is illustrated with simulations.     

自识别自校准Kalman滤波方法

在导航滤波、故障诊断等许多工程领域中,受环境因素影响、模型和参数的选取不当等原因,系统状态方程中往往含有未知输入(系统误差),传统的Kalman滤波方法无法消除这种未知输入的影响,导致产生较大的滤波误差。为此,提出一种自识别自校准Kalman滤波方法,并分别对线性系统和非线性系统进行了详细讨论,给出了相应的公式和滤波步骤。该方法能够自动识别状态方程中有无未知输入,当有未知输入时,则能自动估计未知输入,并对它进行补偿和修正。大量实例计算和仿真模拟表明,与传统方法相比,本文方法能够有效提高状态估计精度,且计算简单,便于工程应用。     

初始定位误差对SINS动基座对准的影响分析

初始定位误差对捷联式惯导系统水下初始对准有着重要影响。针对此问题,基于捷联式惯导系统非线性误差模型利用无迹卡尔曼滤波方法进行载体系测速辅助捷联式惯导系统精对准。首先在水下单应答器定位技术已有研究成果的基础上,对初始定位误差对捷联式惯导系统水下动基座初始对准结果的影响进行理论分析;而后基于船载实测数据对理论分析结果进行水下动基座对准半物理仿真试验验证。试验结果表明,当水下初始位置的定位误差在200m以内时,初始定位误差对捷联式惯导系统动基座精对准的姿态对准结果基本没有影响;会给精对准过程中的位置误差估计带来与初始定位误差相同大小的常值误差。     

一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法

深空探测任务中自主导航测量误差是影响深空探测自主导航系统精度的主要影响因素。针对抑制自主导航测量误差的问题,提出一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法,该方法在对系统非线性不等式几何平面约束建模的基础上,利用序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)非线性规划方法,对深空探测器自主天文导航系统的非线性不等式约束进行非线性规划,直接辅助减小深空探测器自主导航系统的量测误差;利用CKF-SQP量测优化非线性约束滤波方法,对深空探测器自主导航系统的状态进行估计,进一步减小系统随机误差。仿真结果表明:所提方法可以有效抑制测量误差,实现深空探测器高精度自主导航。该方法可为深空探测器提供一种可行的高精度自主导航方法。     

高度辅助的INS／SAR组合导航系统研究

对基于SAR图像匹配定位的地形辅助惯性导航系统的原理进行了充分阐述；同时针对SAR图像匹配定位高度通道不可观的特点，增加了高度输出为系统的观测量，从而构成了高度辅助的INS／SAR组合导航系统，并给出了系统实现原理图。依据对SAR图像匹配定位和气压高度表输出的分析，建立了组合导航系统的量测方程，在此基础上设计了线性卡尔曼滤波器，并完成了组合导航系统仿真。仿真结果表明，组合导航系统的定位精度可大大提高，该组合导航系统设计方案是成功可行的。