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有地面/空间方向基准支持的导航星座长期定轨技术研究

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有地面/空间方向基准支持的导航星座长期定轨技术研究

作者：易航南京航空航天大学

学位级别：硕士

导航星座自主定轨技术是我国“北斗二号”卫星导航系统的关键技术之一。目前，星座的自主定轨主要依赖于星间距离观测来实现的。然而，仅利用星间距离观测信息进行导航星座自主定轨只能保证导航卫星间相对位置的准确性，无法克服星座相... 详细信息

导航星座自主定轨技术是我国“北斗二号”卫星导航系统的关键技术之一。目前，星座的自主定轨主要依赖于星间距离观测来实现的。然而，仅利用星间距离观测信息进行导航星座自主定轨只能保证导航卫星间相对位置的准确性，无法克服星座相对于惯性参考系的整体旋转和漂移，定轨精度会随时间增长而下降。基于以上考虑，本文着眼于导航星座长期定轨问题，采用了两种方法消除星座整体旋转误差，分别研究了采用星间测距和星间测向组合测量的星座长期自主定轨技术，以及在有限地面站及星间观测链路支持下的星座长期半自主定轨技术。其中，方法一是利用星间定向观测信息消除星座整体旋转误差，卫星在空间运行时，其天文背景代表了惯性系方向，通过对星座及其背景的光学观测可以确定星座相对于惯性系的方向，进而控制星座整体旋转误差对自主定轨的影响;方法二是利用少量的地面站观测信息消除星座整体旋转误差，考虑到若星座方向存在旋转，也会影响地面站观测信息，当有地面站支持时，即使数目很有限（如1～3个），也可通过地面站观测信息来校正导航星座的空间方向，实现在有限地面站支持下的导航星座长期半自主定轨。本文以GPS星座为例，采用真实IGS星历作为仿真数据对上述两种方法进行了仿真验证。其中，定轨算法采用EKF滤波算法，定轨模式采用集中式处理模式，仿真时长为240天，采用C++语言编写了软件仿真程序，此外，对于方法一本文还搭建了星间定向观测半物理仿真平台，用以提供较为真实的星间定向观测信息。结果表明，两种方法均可有效遏制导航星座整体旋转误差，实现导航星座长期定轨。就工程实现来说，方法一需要有高精度星敏感器的支持，方法二则更为符合我国国情，具有较高的工程实践意义。

关键词：导航星座自主定轨星间测距空间方向基准地面基准扩展卡尔曼滤波

基于导航星座星间链路的GEO卫星自主定轨方法研究

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基于导航星座星间链路的GEO卫星自主定轨方法研究

作者：宋诗谦国防科学技术大学

学位级别：硕士

传统的利用地面站对GEO卫星实现定轨的方法存在的主要缺点是:地面站与GEO卫星之间的观测几何差,导致星地测量的误差在定轨过程中被放大的倍数急剧增加,影响了定轨精度的提高。北斗卫星导航系统设计并具备星间链路功能,星间链路测量精度... 详细信息

传统的利用地面站对GEO卫星实现定轨的方法存在的主要缺点是:地面站与GEO卫星之间的观测几何差,导致星地测量的误差在定轨过程中被放大的倍数急剧增加,影响了定轨精度的提高。北斗卫星导航系统设计并具备星间链路功能,星间链路测量精度高,与GEO卫星观测几何较好,本文研究的是在导航卫星与GEO卫星之间进行星间观测,获取双单向观测数据,实现GEO卫星的高精度实时定轨。主要内容如下:1、建立基于星间观测的GEO卫星实时自主定轨模型。从卫星定轨的理论和模型出发,推导了GEO卫星定轨的状态方程和测量方程,利用EKF算法对卫星待估状态进行实时解算,分析不同误差对GEO轨道确定误差的影响和量级。2、提出利用抗差自适应滤波进行GEO卫星自主定轨的方法。针对星间观测可能存在粗差和动力学模型不准确的情况,以GEO-MEO星间观测量的质量为基础,分析不同定权方案的抗差效果。分析了光压参数不准确时,引入自适应因子后的定轨效果。3、分析基于星间观测的GEO卫星自主定轨误差。在可供GEO卫星用于定轨的链路资源有限的情况下,以MEO卫星对PDOP值的贡献率为基准,确定遍历选星、迭代选星、直接选星三种链路资源配置策略,分析不同误差情形时,不同观测频度及选星数量下遍历策略对应的轨道确定误差。论文的研究结果表明,抗差自适应的方法能够有效提高GEO卫星的定轨精度。通过制定资源配置策略,在提高星间链路资源的利用率的同时,能有效提高GEO卫星的定轨精度。

关键词：导航星座星间链路 GEO卫星自主定轨

锚固站数量及布局对导航星座自主定轨影响分析

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飞行器测控学报 2015年第3期34卷 254-259页

作者：汪菲菲郭飞霄文援兰西安测绘信息技术总站西安710054 西安测绘研究所西安710054 地理信息工程国家重点实验室西安710054 国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

针对导航星座自主定轨中的星座整体旋转问题,采用增设少量地面锚固站的方法可有效解决该问题。通过推导星地距离对卫星轨道升交点赤经的偏导数,证明了星地距离对卫星轨道升交点赤经可观。仅考虑在我国大陆范围内布设锚固站的条件下,仿... 详细信息

针对导航星座自主定轨中的星座整体旋转问题,采用增设少量地面锚固站的方法可有效解决该问题。通过推导星地距离对卫星轨道升交点赤经的偏导数,证明了星地距离对卫星轨道升交点赤经可观。仅考虑在我国大陆范围内布设锚固站的条件下,仿真分析了锚固站数量以及布局对导航星座自主定轨精度的影响。仿真实验结果表明:采用3个以上的锚固站,即可有效控制星座整体旋转,在14d的仿真时段内卫星自主定轨精度保持4m以内;锚固站数量越多,自主定轨精度越高,但随着锚固站数量的增加,自主定轨精度改善程度越来越小;在保持4个锚固站的情形下,采用不同的锚固站布局方案,自主定轨精度并无明显差别。

关键词：自主定轨导航星座星座整体旋转锚固站地理分布定轨精度

改进粒子滤波算法在导航星座自主定轨技术中的应用

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改进粒子滤波算法在导航星座自主定轨技术中的应用

作者：常敏南京航空航天大学

学位级别：硕士

导航星座自主定轨的系统模型属于非线性系统，系统状态和误差的分布并不严格满足高斯分布。传统的EKF算法应用于非线性系统时需要先将系统线性化处理，且要求状态和观测严格服从高斯分布，在实际应用中势必带来舍入误差;非线性的UKF算... 详细信息

导航星座自主定轨的系统模型属于非线性系统，系统状态和误差的分布并不严格满足高斯分布。传统的EKF算法应用于非线性系统时需要先将系统线性化处理，且要求状态和观测严格服从高斯分布，在实际应用中势必带来舍入误差;非线性的UKF算法虽然避免了线性化误差，但是仍然要求输入量为高斯分布，且采样点数目固定，灵活性较差;再者，在应用于高维状态量的系统时，UKF算法耗时严重，实时性很差。为解决上述问题，本文研究了最适用于非线性、非高斯系统的粒子滤波算法，并针对粒子滤波对模型依赖严重、计算量大、实时性差等问题进行了研究和算法改进。主要的研究工作如下：1、在研究导航星座自主定轨基本理论的基础上，概括出了滤波模型，包括作为状态模型的轨道摄动方程，介绍了主要摄动力;以及作为观测模型的星间伪距观测和星间定向观测模型，介绍了两种观测量的获取条件和观测方程的计算方法。2、在仅采用星间距离观测的情况下，为克服非线性非高斯的限制，本文采用粒子滤波算法来提高长期定轨精度。将EKF算法与PF算法相结合，以此克服PF算法对模型的严重依赖，并针对标准EKPF算法应用于高维系统实时性差的缺点，提出了改进EKPF算法。改进EKPF算法不仅克服了EKF算法应用的种种限制，而且有效改进了PF算法和标准EKPF算法的实时性。3、仅采用星间伪距作为观测量，只能保证星座内卫星的相对位置的准确性，不能修正星座的整体旋转误差，有学者提出引入星间定向观测量，但是观测量的增加却以损失实时性为代价。为此本文提出引入联邦粒子滤波算法，将星间测距与星间测向分别作为两个局部滤波器，采用本文提出的改进EKPF算法作为局部滤波算法;并且在信息融合过程中引入生物进化论的思想，提出了基于生物进化论的联邦粒子滤波算法（EFPF算法），将最优估计值的获得模拟为“优胜劣汰，物竞天择”的生物进化结果。4、最后，本文利用GPS星座的IGS星历数据对改进EKPF和EFPF算法的有效性进行了仿真验证，通过设计的多组实验证明了以上两种算法在定轨精度和算法实时性方面的优越性。

关键词：导航星座自主定轨粒子滤波联邦滤波生物进化论遗传算法

基于星间测距及方向约束的导航星座自主定轨技术研究

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基于星间测距及方向约束的导航星座自主定轨技术研究

作者：李海生南京航空航天大学

学位级别：硕士

导航卫星自主导航是提高导航系统生存能力一个重要方面,而轨道精度是衡量其性能优劣的一个重要指标。本文旨在解决导航星座自主定轨中涉及到的高精度轨道长期预报、星座方向约束算法以及轨道估计优化算法等技术难点。主要的研究工作如下... 详细信息

导航卫星自主导航是提高导航系统生存能力一个重要方面,而轨道精度是衡量其性能优劣的一个重要指标。本文旨在解决导航星座自主定轨中涉及到的高精度轨道长期预报、星座方向约束算法以及轨道估计优化算法等技术难点。主要的研究工作如下: 1、系统研究了导航星座自主定轨的基础理论,包括时间系统、坐标系统、动力学模型及卫星运动方程的数值解法。轨道长期预报精度主要取决于动力学模型误差。针对导航卫星,分析各种摄动力的影响情况,综合定轨精度和计算效率,确定需考虑的主要摄动力。 2、重点研究了EKF和UKF两种非线性滤波方法。针对计算发散问题,提出了平方根EKF算法和平方根UKF算法,并通过仿真算例比较两者的性能。 3、针对导航卫星这一类高轨卫星,讨论了自主定轨时状态量的选择问题。考虑到轨道计算的快速性要求,选择轨道根数作为状态量,并顾及到导航卫星的轨道大都是小偏心率近圆轨道这一特点,最终选用第一类无奇点根数作为状态量。 4、建立星间伪距测量模型,证明仅采用星间测距进行自主定轨时存在秩亏问题,并提出融合卫星轨道先验值信息、星间测距信息和轨道动力学信息的整网定轨算法。 5、长期轨道预报信息包含了卫星轨道的演化特征,充分利用这一信息可以有效减少星座自由漂移对定轨精度的影响,研究了基于轨道预报的星座方向约束算法。 6、分别采用数值法和解析法计算状态转移矩阵,并对两者的精度进行比较。结果表明,解析法完全可以达到定轨的精度要求,从而提出了改进的SREKF算法,并通过与SRUKF算法比较,验证本文所提算法兼有高精度和高效性的优点。

关键词： EKF UKF 导航星座星间测距自主定轨无奇点根数

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单锚固站辅助导航星座自主定轨分析

飞行器测控学报 2013年第5期32卷 444-448页

作者：杨力郭飞霄文援兰李婧信息工程大学导航与空天目标工程学院西安测绘研究所国防科学技术大学航天与材料工程学院 61363部队

我国"北斗"卫星导航系统在建设过程中存在地面跟踪站无法全球均匀布设的问题。针对该问题,可采用依靠少量锚固站的星座自主定轨方法解决。通过推导星地测距对卫星轨道升交点赤经的偏导数,证明了星地测距对升交点赤经的可观性,并分析得出... 详细信息

我国"北斗"卫星导航系统在建设过程中存在地面跟踪站无法全球均匀布设的问题。针对该问题,可采用依靠少量锚固站的星座自主定轨方法解决。通过推导星地测距对卫星轨道升交点赤经的偏导数,证明了星地测距对升交点赤经的可观性,并分析得出,在经度保持不变的情况下,锚固站纬度越大,星地测距对卫星轨道升交点赤经的偏导数的模越小,星地测距对升交点赤经的修正越差。其后,对单锚固站辅助导航星座自主定轨进行了仿真实验,在经度保持不变的条件下,随着纬度的增大,星座自主定轨结果的收敛速度越来越慢。仿真结果验证了理论分析,并得出锚固站纬度是影响星地测距对卫星轨道升交点修正程度的重要因素的结论。

关键词：星座整体旋转锚固站可观性自主定轨导航星座

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联合星间星地观测的导航星座定轨方法研究

联合星间星地观测的导航星座定轨方法研究

作者：肖振国国防科学技术大学

学位级别：硕士

导航星座卫星轨道的精密确定是卫星导航系统提供高精度导航定位授时服务的重要保障。由于无法全球布站,传统的基于地面观测的定轨方式无法满足我国北斗卫星导航系统全球服务的需求。2015年,我国自主设计研发的新一代卫星导航Ka频段星间... 详细信息

导航星座卫星轨道的精密确定是卫星导航系统提供高精度导航定位授时服务的重要保障。由于无法全球布站,传统的基于地面观测的定轨方式无法满足我国北斗卫星导航系统全球服务的需求。2015年,我国自主设计研发的新一代卫星导航Ka频段星间链路已投入在轨运行,为实现北斗卫星导航系统的全球测控提供了重要技术支撑,促使星间星地联合定轨成为导航星座定轨的研究热点。在此背景下,本文针对区域布站和星间链路支持下的北斗卫星导航系统联合精密定轨,分析了新一代卫星导航星间链路的测距性能,对联合星间星地观测的导航星座高精度定轨方法及其影响因素进行了探讨,主要研究内容如下:(1)建立导航星座星间星地联合定轨模型。从动力学定轨基本原理出发,研究了星间星地联合定轨批处理算法的基本原理、算法流程;梳理了定轨结果的主要评估方法和评价指标;根据北斗卫星导航系统空间段和地面段的分布,设计了混合导航星座联合定轨仿真场景,验证了联合定轨算法的可行性。(2)分析北斗全球系统试验卫星工程Ka星间链路的测距性能。从Ka星间链路双单向测距基本原理出发,研究了星间链路观测数据的预处理方法;通过观测残差分析法分析了星间链路测距数据的内符合精度;通过卫星激光测距检核法进行外符合比较,得到了Ka星间链路测距的外符合精度。(3)分析测量误差和地面站分布对导航星座联合定轨的影响。针对测量粗差和星地星间数据的精度差异,研究了观测数据的粗差处理方法和数据加权方法对导航星座联合定轨精度的影响;分析了联合观测条件下,地面站数量和分布对导航星座联合定轨性能的影响。本文结合仿真和实测数据,实现了联合星间星地观测的导航星座定轨。相关结果表明,北斗Ka星间链路测距精度可达厘米量级,能够有力支撑我国北斗导航星座区域布站下的高精度联合定轨。本文既是对星间链路相关技术的验证,也可为星间链路的应用提供参考。

关键词：星间链路星间星地观测导航星座联合定轨批处理

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基于锚固站的导航星座自主定轨技术研究

基于锚固站的导航星座自主定轨技术研究

作者：苏天祥国防科学技术大学

学位级别：硕士

近年来，随着导航卫星数量的不断增多，传统单星定轨方式已不能很好的满足含有多颗导航卫星的导航星座定轨的要求。对于地面测控站来说，导航卫星数量的增多，必然会使地面测控站的负担越来越重。发展导航星座自主导航技术成为近年来的... 详细信息

近年来，随着导航卫星数量的不断增多，传统单星定轨方式已不能很好的满足含有多颗导航卫星的导航星座定轨的要求。对于地面测控站来说，导航卫星数量的增多，必然会使地面测控站的负担越来越重。发展导航星座自主导航技术成为近年来的热点，一方面可以减轻地面站的运行负荷，另一方面也能满足未来导航站的需求。本文致力于基于锚固站的导航星座分布式自主定轨理论分析和具体实现研究，主要研究工作如下：（1）研究了基于锚固站导航星座自主定轨的方法。通过星星-跟踪的数学模型，分析了利用锚固站解决基于星间链路定轨的不可观性问题。分析比较了星座整网定轨模型和分布式定轨模型。从概念上阐述了两者的区别，并通过理论分析建立了两种模型的状态方程和观测方程。（2）将抗差估计理论引入到导航星座分布式定轨中。在观测值出现粗差的情况下，引入抗差算法有效地抵御了粗差对状态估计的影响。（3）对用户测距误差(User Range Error,简称URE)的意义进行了详细的解释，采用加权思想推导了导航单颗卫星及导航星座URE的计算模型，通过仿真手段对URE进行了仿真验证。（4）研究了导航星座分布式自主时间同步技术。首先分析比较了Allan方差和Hadamard方差的性能，然后推导了利用锚固站实现星座分布式时间同步的数学模型，最后通过仿真手段对基于锚技术实现导航星座自主时间同步的技术进行验证。

关键词：导航星座锚固站自主导航用户测距误差时间同步

基于星间定向观测的导航星座长期自主定轨技术研究

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基于星间定向观测的导航星座长期自主定轨技术研究

作者：李博南京航空航天大学

学位级别：硕士

实现导航星座自主导航对提高其生存能力和扩展其应用领域具有重要意义,而自主定轨又是实现自主导航的核心技术之一。目前,导航星座自主定轨多采用星间距离观测来实现,但这种方法只能保证导航卫星间相对位置的准确性,无法克服星座相对于... 详细信息

实现导航星座自主导航对提高其生存能力和扩展其应用领域具有重要意义,而自主定轨又是实现自主导航的核心技术之一。目前,导航星座自主定轨多采用星间距离观测来实现,但这种方法只能保证导航卫星间相对位置的准确性,无法克服星座相对于惯性参考系的整体旋转和漂移,定轨精度会随时间增长而下降。为解决这一问题,有学者提出引入星间定向观测,即采用星敏感器对星座中的其它卫星及背景恒星进行照相观测,利用恒星提供的空间绝对位置信息来测定和消除星座的整体旋转和漂移对自主定轨的影响。本文在此基础上,对如何利用星间定向观测信息实现导航星座长期高精度自主定轨做了进一步的研究。在建立起星间定向观测模型的基础上,通过对精密定轨的条件方程中系数矩阵的分析,证明了仅利用星间定向观测的卫星自主定轨不存在数学亏秩问题,因而可以定轨。进一步的研究试验发现,仅利用星间定向观测能保证自主定轨的长期稳定性,但受星敏感器观测精度的限制,定轨精度并不高。而仅利用星间距离观测短期自主定轨精度很高,但长期会出现发散。因此,本文设计的导航星座自主定轨算法方案综合利用了星间距离观测和星间定向观测,从而达到使两种观测手段取长补短的效果。考虑到导航卫星多是小偏心率近圆轨道的特点,为了节约星载计算机的资源,满足自主定轨的实时性,本文设计的算法方案在利用EKF滤波器融合卫星动力学信息及星间测距和测向信息进行自主定轨时,选用了第一类无奇点根数作为状态变量,这与选用位置和速度矢量相比,可以加大轨道积分步长,同时可采用分析法来计算状态转移矩阵,从而减少了星载计算机的解算量。本文完成了对所提自主定轨算法方案的软件实现,并提出了基于星间定向观测的半物理仿真系统的设计方案。通过自主开发的软件仿真系统,利用GPS星座的IGS精密星历进行仿真试验。结果表明,本文设计的算法方案可使导航星座自主定轨同时满足高精度和长期稳定两项性能指标,而且即使方案中的星间定向观测仅剩一组仍可使自主定轨结果基本满足要求。

关键词：导航星座自主定轨星间定向观测无奇点根数扩展卡尔曼滤波