导航星座长期自主定轨半物理仿真系统研究

进行导航星座长期自主定轨物理实验研究不仅难度大,周期长,而且成本昂贵.为更好的评估基于星间定向观测信息的导航星座长期自主定轨方案,利用星模拟器及星敏感器设计了基于星间定向观测信总的导航星座长期自主定轨半物理仿真系统.与单纯数值仿真相比,更为准确和可靠地模拟了星间定向观测信息及其误差特性,可以对基于星间定向观测信息的导航星座长期自主定轨方案进行更加真实有效的评估.最后利用本系统对基于传统EKF滤波算法的导航星座长期自主定轨方案进行了仿真验证.     

基于抗差UD分解滤波的导航星座整网定轨方法

针对我国导航星座的自主定轨问题,提出基于抗差UD(upper triangular matrix diagonal matrix)分解滤波的导航星座整网定轨方法。该方法对卫星轨道参数进行整网估计,通过对所有观测资料加权以避免观测粗差的影响,并利用UD分解算法来避免对协方差矩阵的直接求逆而导致的计算机舍入误差过大从而滤波发散。推导了整网定轨的数学模型,给出了抗差UD分解滤波的详细步骤。通过性能分析和仿真计算表明了该方法的可行性与有效性。     

基于星敏感器的星光折射卫星自主导航方法研究

研究了基于星光折射量测进行自主确定卫星姿态及轨道的方法。这种导航方案利用高精度的CCD星敏感器,结合星光穿越大气的较精确的数学模型,来间接敏感地平,从而实现对卫星的精确定位和定姿。为了说明所提导航方案的有效性,采用推广卡尔曼滤波算法,结合模拟的测量数据对自主定轨进行了仿真。仿真结果表明,定轨精度优于100m。还分析比较了采样周期、星敏感器精度、恒星数目等因素对定轨精度的影响。总结了其变化规律,可用于提高卫星自主定轨精度。     

基于天基空间目标监视系统的定轨技术研究

天基空间目标监视系统是进行空间目标监视与跟踪的重要发展方向,通过对美国即将运行的空间目标监视跟踪系统(SBSS)的分析,按照其设计思想和运行环境,仿真实现了SBSS对空间目标的定轨功能.设计了SBSS系统覆盖区域的简易算法,可以快速准确判断目标的可观测区域,为星座设计提供必要的支持.针对星上计算机能力有限的特点,提出了基于拉格朗日5点法求状态转移矩阵的定轨算法.仿真试验证明,SBSS系统对空间目标的覆盖区域比地基监视系统显著增加,同时,改进的定轨算法可显著缩短定轨时间、提高定轨精度,其中低轨道空间目标定轨误差10米,高轨道空间目标定轨误差500米左右.     

基于加速度信息的导航卫星轨控期间自主定轨方法

为了降低对地面测控站的依赖,提升导航卫星自身的自主运行能力具有重要意义。导航卫星在轨道控制期间,自主定轨误差将会产生重大偏差,为了能够快速恢复星历,提升导航系统的应用效率,针对导航卫星轨控期间的自主轨道确定技术进行了研究。首先,在传统的天文导航的基础上引入了加速度信息,然后根据加速度计测量以及估计误差判断,选择合适的时机在轨控期间对估计误差方差阵进行重置。仿真结果表明,基于加速度信息的自适应导航滤波算法,能够有效降低导航误差收敛时间,同时降低估计误差峰值。     

卫星星座分布式自主导航方法研究

利用分级处理的方法实现了卫星星座的分布式自主导航。提出了将地球作为一颗参考星构造虚拟地心距的方法,并推导了虚拟地心距与其它测量值之间的噪声相关特性。以Walker星座为对象进行了仿真验证。仿真结果表明:分级处理的方法可以实现卫星星座的分布式自主导航,而利用所提出的构造虚拟地心距的方法可以有效地提高卫星的导航精度,减小误差逐级方法的影响,从而提高卫星和整个星座的导航精度。     

一种基于视线矢量的双星系统自主导航方法研究

研究了近地绕飞双星系统的自主定轨问题,设计了一种基于相对视线矢量测量的自主导航方法.本方法利用导航相机观测双星之间的相对视线矢量,并转化为相机坐标系下的像元像线,从而得到导航系统的量测模型;然后结合卫星的轨道动力学方程,通过扩展卡尔曼滤波算法精确估计双星在地心惯性系下的位置和速度共12个分量.最后,通过数学仿真验证了此导航方法的可行性.     

GEO卫星辅助的LEO通信星座定位性能研究

由于存在较大的几何精度因子(GDOP)值,单独利用低轨小卫星通信星座进行用户定位存在定位精度低、定位时间长等缺点。在对造成低轨定位系统GDOP较大的原因进行理论分析的基础上,提出采用静止轨道(GEO)卫星辅助低轨卫星(LEO)进行定位的方案,并提出了相应的两种基于多普勒频移和到达时间差的定位算法,通过仿真对算法在该方案中的性能进行了评估。仿真结果表明,该方案可以有效地提高定位精度,减小定位时间,是一种实现低轨小卫星系统通信与导航定位兼容的简单而有效的方案。     

卫星自主定轨中轨道摄动仿真

本文针对组合大视场星敏感器卫星自主定轨方法,建立了地球非球形摄动下的广义卡尔曼滤波仿真模型,滤波过程采用了新的改进算法。通过计算机仿真,说明该自主定轨方法具有很高的位置、速度均方误差估计精度且算法是收敛的。计算给出了一日内的卫星轨道,反映了在地球非球形摄动下轨道的变化情况,且对轨道面的进动进行了计算。     

卫星星座导航数学仿真系统及其关键技术研究

为了研究卫星导航系统的星座覆盖性能,信号链路、时间系统等关键技术和性能指标,有必要建立导航星座仿真系统,完成导航星座系统在各种模式下的工作状态模拟并对其结果进行分析和评估.论述了基于高层体系结构(HLA)仿真平台下的卫星星座导航数学仿真系统的总体设计,介绍了卫星导航星座分系统以及仿真支撑环境的功能.在此基础上,分别对仿真时间的推进策略、数据分发管理、仿真时间同步以及卫星轨道确定等关键技术进行了分析与研究.试验结果表明,本文设计的仿真系统及采用的若干关键技术,能够很好的满足仿真与评估的需求,对我国北斗卫星导航系统的研制具有重要的参考价值.     

基于磁强计的卫星自主定轨算法

为了降低自主导航的成本,针对近地轨道地磁场的特点,提出基于扩展卡尔曼滤波器的地磁导航算法,该算法综合IGRF模型建立了观测方程,根据地磁场的IGRF模型是基于地心固连坐标系的位置函数的特点,采用地心固连坐标系的卫星轨道动力学方程作为状态方程,构造出卫星地磁导航系统的导航模型。仿真研究结果表明,该算法的卫星地磁导航模型结构简单,描述能力更强,导航算法具有较好的稳定性和收敛性。     

基于马尔可夫过程的GNSS星座可用性评估

卫星导航的星座可用性是评价导航系统性能的重要指标之一。基于马尔可夫过程建立了同时考虑卫星故障率和修复率的单星可用性模型,结合卫星的备份情况提出了空间信号层和服务层的星座可用性评估方法模型。基于上述评估模型,结合大量实测数据分析了空间信号层和服务层的星座可用性概率。结果表明:全球定位系统(global positioning system, GPS)星座可用性评估模型是有效的,GPS星座可用性符合其系统性能规范。提出的星座可用性评估方法对北斗卫星导航系统的全球化建设及其可用性评估有一定的参考价值。     

基于Markov过程的导航系统星座可用性分析

卫星导航系统星座可用性分析面临准确性和快速性的矛盾。论文在研究全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）星座可用性分析需求的基础上,系统地定义了导航系统可用性的基本概念,给出了基于分系统部件失效计算导航星座可用性的方法,提出了基于Markov过程的单星可用度算法,建立了基于星座状态概率的服务可用性计算模型,并结合导航基本原理模型得到了导航星座的可用性。最后,基于此方法针对北斗区域卫星导航系统相关数据对其星座可用性进行了仿真和实验分析。结果表明,本文所提方法和模型能够满足卫星导航系统星座可用性分析的特殊需求。     

Pulsar/CNS integrated navigation based on federated UKF

In order to improve the autonomous navigation capability of satellite, a pulsar/CNS (celestial navigation system) integrated navigation method based on federated unscented Kalman filter (UKF) is proposed. The celestial navigation is a mature and stable navigation method. However, its position determination performance is not satisfied due to the low accuracy of horizon sensor. Single pulsar navigation is a new navigation method, which can provide highly accurate range measurements. The major drawback of single pulsar navigation is that the system is completely unobservable. As two methods are complementary to each other, the federated UKF is used here for fusing the navigation data from single pulsar navigation and CNS. Compared to the traditional celestial navigation method and single pulsar navigation, the integrated navigation method can provide better navigation performance. The simulation results demonstrate the feasibility and effectiveness of the navigation method.     

卫星组网与星座控制设计、分析、仿真系统研究

设计和开发了卫星组网与星座控制设计、分析、仿真系统。该系统具有卫星组网优化设计、星座控制优化设计、星座性能分析、星座运行和控制过程仿真演示的功能,系统中的每个组成单元软件可以通过任务设定软件进行预定任务要求星座的设计、分析和仿真,也可以根据自身输入参数进行卫星组网与星座控制的设计、分析和仿真。最后利用该系统完成了对一个导航星座的设计、分析和仿真。     

全球导航卫星系统的星座可见性研究

在GPS和GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)的应用研究中 ,为保证系统正常工作 ,导航星座应满足一定的可见性要求。因此 ,首先对提出的最小可见性要求进行了原理性阐述 ;之后 ,基于卫星对地面的覆盖特性 ,给出了导航卫星的可见性定义 ,并推导了一种可见性判据 ;最后 ,针对一种通用的全球导航卫星系统星座 ,用仿真的方法给出了地面和某一海拔高度对该星座的可见性结果 ,确定了海拔高度同星座中可见卫星数目之间的关系 ,从而为全球导航卫星系统在外层空间的应用设计提供了依据。     

卫星移动通信星座系统的建模/仿真

卫星移动通信系统常采用星座的方式构建,能够实现真正意义上的全球覆盖。它是一个复杂的系统,其核心星座系统部分的设计过程中需考虑时间、空间覆盖特性,进行链路和成本分析等,单纯的数学计算难以集成化地对设计过程的各方面以及设计方案进行全面、直观的分析,因此采用现代仿真技术,基于HLA/RTI和STK,建立卫星移动通信星座仿真系统,通过XML方式灵活的存取数据库中的模型数据和配置方案,进行星座系统设计,并对设计方案进行实时或超实时的仿真运行,得到全面的分析、评估结果,仿真系统具有直观的二维、三维场景和曲线、报表显示功能,可为卫星移动通信星座系统的设计提供一个集成化、可视化的仿真试验平台,并可在一定程度上支持其他卫星星座设计。