基于积分多普勒平滑伪距的导航算法研究

载体处于高动态机动、障碍遮挡、信号干扰和多路径等复杂环境时,GNSS接收机跟踪环路易发生信号失锁和相位失调,导致载波相位观测值发生较大变化,采用载波相位平滑伪距将严重影响导航精度。为改善GNSS接收机导航性能,对电离层效应及延时校正模型进行了研究,基于α-β滤波算法提出了基于积分多普勒平滑伪距的导航算法。实验结果表明:采用该算法在静态、动态条件下定位精度优于5m,测速精度优于0.05m/s,可显著提高GNSS接收机的导航精度。     

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.     

基于相位平滑伪距的GNSS时差监测评估

随着全球卫星导航系统进一步的发展和完善,在系统层面上对各个GNSS进行实时时差监测是必要的。为了降低时差监测中伪距观测值的观测噪声及多径误差对时差监测的影响,采用相位平滑伪距的方法对伪距观测值的噪声及多径误差进行平滑,该方法可以实时地对伪距观测值进行处理,并且具有较好的平滑效果。利用平滑后的伪距观测值进行时差监测可以将时差监测值的标准差由2~4ns降低到1~3ns,噪声降低比率平均在20%以上。在与BIPM公布的时差数据相比,GPS-GLONASS实测值也具有较好的一致性,可以满足GNSS时差监测与预报的需求。     

北斗首颗备份卫星性能初步分析

主要从卫星钟差预报、轨道测定精度、伪距波动情况等角度分析了I6卫星与北斗卫星导航系统（BDS）其他现役倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的异同,并从位置精度因子（PDOP）和格网可用性评估了I6卫星入网对BDS的贡献。利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了I6卫星星载原子钟的预报性能,结果表明,I6卫星发播的卫星钟参数外推5h预报误差的均方根误差（RMS）为232ns,外推1h预报误差的RMS为073ns,与现役IGSO卫星钟差预报水平相当;对多星联合精密定轨结果分析表明,与北斗现役I3卫星相比,姿态控制方式优化后的I6卫星在地影期间的轨道精度并未发生明显衰减,克服了现有北斗二号卫星在地影期间轨道精度下降,从而影响北斗服务的连续性、可用性问题;利用大口径抛物面天线采集到的数据对I6卫星的伪距波动进行了分析,结果表明I6卫星单个观测弧段内其伪距波动峰峰差约为1m,与其他IGSO卫星一致;进行PDOP仿真计算,结果表明I6卫星的加入使得喀什地区的PDOP最大值由1282下降为726,PDOP大于6的时段所占百分比由2911%下降为1721%;对格网电离层产品实施解算,结果表明I6卫星的加入使得6个电离层格网点的可用度提升至95%以上。     

动态自适应GPS/INS组合导航方法

为了提高导航测量系统的精度,改善其可靠性,提出了一种动态自适应高精度GPS/INS组合导航的新形式。这种新形式通过判断GPS可见卫星数目,动态自适应调整组合导航方法,保证了组合导航结果的高精度。在RTK GPS可靠基线范围内,且可观测卫星数目大于等于4的情况下,利用RTK GPS的cm级的定位定速结果与INS进行松组合;而在因信号干扰或建筑物阻挡造成卫星失锁时,利用GPS伪距、伪距率与INS进行紧组合。通过仿真验证了方法的高精度,具有良好的应用前景。     

载波相位差分GPS/惯性组合导航

载波相位测量是目前测量精度最高的测量方法,所以载波相位差分ＧＰＳ同惯导组合能获得高精度的导航系统。但载波相位测量需要确定整周模糊度,现在已探索出多种算整周模糊度的方法,但这些方法而且需要一定的解算时间。文中提出了把模糊度作为状态变量进行组合的方法,用整周模糊度的浮点解同样可得到较高精度的导航系统。仿真结果表明,该方法是行之有效的,扩大了组合系统的应用范围,对航空、航天、铁路、航海等载体的高精度导航     

基于Kalman滤波和奇偶矢量法的优化RAIM算法

针对传统RAIM算法很难检测微小伪距偏差的问题,可以通过对多个历元的统计检验量进行归一化处理,增大统计检验量的非中心化参数,提高对微小故障的检测率.Kalman新息检测法可以对卫星的故障进行独立检测,具有运算量小、在少星情况时仍能进行故障检测和识别的优点,但是对微小伪距偏差不敏感.针对两种方法的优点提出了基于Kalman滤波和奇偶矢量法的综合RAIM算法.仿真结果表明,该方法不仅可以提高对微小伪距偏差的检测率,同时减少了对可见卫星数的要求,验证了该算法应用于接收机自主完好性检测的可行性和正确性.     

伪距和载波相位相结合的DGPS／惯性组合导航

建立了伪距和载波相位相结合的ＤＧＰＳ／ＩＮＳ组合系统的状态方程和量测方程,并用滞后状态卡尔曼滤波对伪距和载波相位相结合的ＤＧＰＳ／ＩＮＳ组合系统进行了组合及仿真,给出了详细的仿真数据和仿真曲线。仿真结果表明,该组合系统的精度得到了进一步提高,这是提高导航精度的有效途径,对各种载体的精确导航与制导具有一定的现实意义。     

面向空间导航系统设计的GPS量测仿真增强研究(英文)

在星载导航系统的初步方案规划和算法设计阶段,出于对潜在的折中考虑,高保真的GPS软件仿真器是一种必要且可行的实验室测试手段。本文研究开发了面向空间导航系统设计的GPS量测软件仿真器,它主要针对L1C/A码和载波信号,也就是说该仿真器使用MATLAB编程语言产生C/A码伪距量测和载波量测。论文推导了基于地心惯性坐标系(ECI)的数学模型,用来仿真GPS星座并产生GPS量测数据;在星历数据选择、空间电离层模型和伪距率计算等方面,深入研究并应用一系列增效措施以合理化实现该仿真器。建立的增强型GPS量测仿真器推进了我们现有的星载GPS/INS组合导航系统设计工作,将进一步提升在星载导航系统设计领域的研究。     

SINS/Two-Antenna GPS组合导航系统设计及实现

对SINS／two—antenna GPS全组合导航系统进行了研究，建立了相应的误差模型和系统观测模型，特别是组合系统下的GPS载波相位双差观测模型。提出了一种扩展的卡尔曼滤波方法，并进行了系统硬件集成设计。仿真结果表明：该设计改善了系统性能，提高了导航定位的精度、可靠性和实用性。