极轨气象卫星NOAA AVHRR数据的高精度定位

针对极轨气象卫星 Ｎ Ｏ Ａ Ａ Ａ Ｖ Ｈ Ｒ Ｒ 数据的高精度定位,提出了一种从直接定位、导航定位、几何精校正三方面综合考虑的方案。该方案通过建立精确的卫星运动轨道模型、卫星摄动模型,采用对称椭球体的地球形态模型和融入卫星姿态的地面扫描点位置的计算方法,使直接定位精度达到３ 个像元。通过定量分析影响导航定位精度的主要因素,提出了融合卫星时间漂移校正、调整卫星轨道根数和估算卫星姿态偏差的导航定位新算法。在导航定位和几何精校正中,利用具有足够定位精度的１∶１００ 万数字地图数据和高分辨率 Ｌａｎｄｓａｔ Ｔ Ｍ 图像,提取地面控制点和控制块,使 Ａ Ｖ Ｈ Ｒ Ｒ 数据导航定位精度达到１ 个像元,几何精校正定位精度达到０５ 个像元     

基于STK的卫星飞行轨迹仿真技术

通过仿真方法研究飞行器导航算法具有成本低、周期短等优点,但是仿真数据难以获得.介绍了利用STK软件生成卫星飞行轨迹的方法.通过输入期望的卫星轨道根数,可以方便地产生卫星飞行过程中的位置、速度、角速度和姿态等信息.这些数据的获得,为卫星导航、制导与控制的研究提供了有利条件.     

采用矩谐分析和支持向量机的地磁导航基准图构建方法

为便于在地磁导航工程应用中进行载体磁场和地磁场变化的修正,提出了一种采用矩谐分析和支持向量机的地磁基准图构建方法.在导航区域中心采用矩谐分析法来预测基准数据,包括地磁场剩余值计算、地理坐标转换、地磁分量转换、矩谐系数求解及中心区域基准数据预测等,以提高地磁基准图的精度并利于修正;在导航区域边缘采用支持向量机法来预测基准数据,包括核函数选取、参数优化、模型训练及边缘区域数据预测等,以减弱边界效应的影响;采用粒子群优化算法对支持向量机参数进行优化,以提高算法的运算效率.试验结果表明,该方法可提高所构建地磁基准图的精度,降低算法的运行时间.     

大偏心率椭圆轨道星上轨道外推的参数化模型

众所周知,数值方法和分析方法都可以用于轨道预报.一般而言,采用数值方法可以获得更高的精度,采用分析方法可以达到更高的效率.对于近圆轨道卫星,已有许多成熟的数值方法和分析方法可以用于轨道预报.而对于大偏心率椭圆轨道卫星,这些方法都有各自的局限性.传统的数值积分器工作效率较低;分析方法中多采用简化的力模型,因而可以达到的精度有限.为实现大偏心率椭圆轨道卫星的星上轨道预报,本文提出了一种解决方案.其核心思想是基于摄动分析解的表达式,尝试构造拟合公式,用不同的频率项反映摄动影响下轨道根数的周期变化和长期变化.最终以拟合和计算的过程代替求解微分方程,建立参数化模型,从而实现轨道外推.应用此模型时,将首先通过拟合公式对真近点角f、近点角距ω、升交点经度Ω、轨道倾角i和地心距r进行拟合与计算,然后利用这5个轨道根数计算出卫星在惯性坐标系下的位置矢量,得到最终的预报结果.为检验方法的可行性,本文利用该参数化模型对33颗闪电轨道卫星进行了轨道外推.对每颗卫星分别进行28组试验,每组算例的外推弧段为3天.数值试验结果表明,轨道根数f,ω,i与r的计算结果受到轨道偏心率的影响.3天内,轨道外推的位置精度一般约为百米级.     

北斗GEO卫星广播星历的直接拟合算法研究

针对因北斗地球静止轨道(GEO)卫星的小倾角特性,经典全球卫星定位系统(GPS)广播星历拟合算法不能直接应用于北斗GEO卫星这一问题,提出了一种基于无奇点变换的北斗GEO卫星广播星历直接拟合算法.该算法采用一组无奇点轨道根数代替经典轨道根数,解决了由GEO轨道的小倾角特性引起的经典广播星历拟合过程中法化矩阵奇异的问题;同时,避免了接收机GEO广播星历参数用户算法中坐标旋转的过程,减少了GEO用户算法的计算步骤.经仿真验证:该算法可很好地适用于北斗GEO卫星广播星历拟合,且拟合精度高,完全满足接收机导航定位的精度.但对于圆地球轨道(MEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,该算法实用性较差,仍须进一步研究和改进.     

北斗卫星星载原子钟的短期钟差预报模型参数选取分析

高精度实时卫星钟差改正数据的获取一直是实现精密单点定位技术的关键问题.针对短期钟差预报模型参数设定对预报精度的影响,详细分析了多项式模型和灰色模型的基本原理,通过对精密星历文件中钟差数据的计算,分析阶数和已知数据个数对2种预报模型精度的影响,评估了此2种预报模型的优劣.实验结果表明:多项式模型应采用的已知点数量和阶数分别为7和2,而灰色模型的已知点数量应设为11;灰色模型总体上优于多项式模型.     

基于非线性自回归神经网络的局部大气密度预测方法

由于现有大气密度模型精度不足,在对低轨卫星定轨和轨道预报时容易产生较大误差,而观测手段的缺乏以及对高层大气物理机理缺乏足够了解给大气密度模型的建立带来了一定的困难.提出了利用神经网络来建立大气密度预测模型.首先,利用两行轨道根数对NRLMSISE-00大气模型校准得到沿轨道的局部化密度模型,然后基于非线性自适应回归神经网络(NARX)构建大气密度预测模型.该模型主要结合校准后MSIS模型以及太阳与地磁活动指数来预测未来一段时间内局部大气密度.将该模型应用于不同的卫星轨道数据,进行了多个时间段的模拟试验.与卫星实测密度的比对结果显示,相对于MSIS密度模型,该模型的预测误差有了一定的减小,为提高低轨卫星短期轨道预报精度提供了思路.     

GPS/INS相对导航鲁棒扩展卡尔曼滤波方法

针对绕飞模式下追踪器与合作目标间的GPS/INS组合相对导航问题,考虑追踪器的惯量阵存在不确定性,为提高相对导航系统的精确性和稳定性,提出了一种GPS/INS组合相对导航的鲁棒扩展卡尔曼滤波算法. 该算法采用近似线性化方法将相对导航系统中的非线性函数进行泰勒级数展开,并将线性化引起的模型误差作为不确定项来处理,结合鲁棒卡尔曼滤波算法,设计了GPS/INS组合相对导航的鲁棒扩展卡尔曼滤波算法. 仿真结果表明,该方法相对位置的估计精度为0.1 m,相对姿态的估计精度为0.001°,相对导航精度很高,且对追踪器惯量阵存在的不确定性具有很好的鲁棒性.      

基于单探测器的低轨航天器X射线脉冲星导航算法

近年来脉冲星自主导航技术飞速发展,即将在低轨道(LEO)航天器开展验证。为了适应低轨航天器载荷轻量化、小型化的需求,研究了基于单探测器的X射线脉冲星导航扩展卡尔曼滤波算法,并针对单脉冲星导航和轮流观测多脉冲星导航两种方案,分别进行了算法仿真。仿真结果表明,仅观测单脉冲星无法实现长期自主导航,但能够将轨道预报误差降低25.9%,提高短期自主导航精度。而单探测器轮流观测多脉冲星可实现长期自主导航,其导航误差达到514 m,与多探测器同时观测多脉冲星传统算法相当。     

基于脉冲星和太阳敏感器的日地系Halo轨道组合导航研究

为提高平动点轨道探测器的自主导航能力,提出一种利用X射线脉冲星和太阳敏感器的导航算法. 利用X射线脉冲星导航理论,用X射线探测器测量X射线脉冲到达时间,同时利用太阳敏感器测量太阳视线方向矢量,建立导航系统观测方程. 在高精度星历模型下,对日地系Halo轨道建立数学模型,利用二级微分修正方法获取地球质心惯性系下的标称轨道,利用基于UD分解的联邦Unscented卡尔曼滤波方法进行状态估计,并研究了摄动因素对导航结果的影响. 仿真结果表明,该方法能够完成日地系平动点轨道的自主导航,并且比X射线脉冲星单独导航具有更高的导航精度.      

基于Flower星座的区域卫星导航系统

在Flower星座设计方法的基础上,提出了一种新的区域卫星导航系统设计方法.利用2个Flower星座,通过Flower星座模型精确计算导航Flower星座(NFC)中每个卫星的6个轨道参数,得到一个区域卫星导航系统NFC.NFC可以分阶段部署,开始由8颗卫星组成,补充发射6颗卫星以后组成完整的系统.对中国区域的几何精度因子(GDOP)仿真证明,NFC的平均GDOP值为2.113.与国内已经提出的几种区域导航系统及GPS,GLONASS,Galileo等全球卫星导航系统相比,NFC的GDOP性能与Galileo系统相当,远优于其他系统.NFC较高的导航精度和经济性证明基于Flower星座的区域卫星导航系统设计方法是有效的.     

Improvement of orbit determination for geostationary satellites with VLBI tracking

China’s COMPASS satellite navigation system consists of five or more geostationary (GEO) satellites.The roles of GEO satellites are to improve the regional user’s positioning accuracy and provide the continuous Radio Determination Satellite Service.The motion of GEO satellites relative to a ground tracking station is almost fixed,and regular orbit maneuvers are necessary to maintain the satellites’ allocated positions above the equator.These features present difficulties in precise orbit determination (POD).C-band ranging via onboard transponders and the L-band pseudo-ranging technique have been used in the COMPASS system.This paper introduces VLBI tracking,which has been successfully employed in the Chinese lunar exploration programs Chang’E-1 and Chang’E-2,to the POD of GEO satellites.In contrast to ranging,which measures distances between a GEO satellite and an observer,VLBI is an angular measurement technique that constrains the satellite’s position errors perpendicular to the satellite-to-observer direction.As a demonstration,the Chinese VLBI Network organized a tracking and orbit-determination experiment for a GEO navigation satellite lasting 24 h.This paper uses the VLBI delay and delay-rate data,in combination with C-band ranging data,to determine the GEO satellite’s orbit.The accuracies of the VLBI delay and delay rate data are about 3.6 ns and 0.4 ps/s,respectively.Data analysis shows that the VLBI data are able to calibrate systematic errors of the C-band ranging data,and the combination of the two observations improves orbit prediction accuracy with short-arc data,which is important for orbital recovery after maneuvers of GEO satellites.With the implementation of VLBI2010,it is possible for VLBI to be applied in the COMPASS satellite navigation system.     

一种求恒星视位置的新算法

天文定位是一种重要的导航定位方法，灭体的位置是天文定位至关重要的一个数据．针对传统的查表求恒星视位置的原理和方法的缺点，对天球坐标系、天体视运动、天体力学、球面天文学进行研究，介绍了一种新的适合计算机自动定位的求恒星视位置的方法，给出了一些重要的数学模型实际的研制结果，表明了这种方法的准确、高效性．     

鲁棒容错滤波算法及在MEMS_SINS/GPS中的应用

针对MEMS_SINS/GPS组合导航系统中,GPS量测输出信息中常含有故障信号的问题,提出一种鲁棒容错滤波算法.将GPS量测输出中可能含有的故障信号扩充为系统的状态,通过鲁棒滤波算法在线实时估计出来,并对系统进行补偿,达到容错的目的.用MEMS_SINS/GPS组合导航系统中得到的实验数据对该算法进行离线仿真验证.结果表明,该算法能有效降低GPS中故障信号的不利影响,使系统在此期间仍能工作在正常范围内.     

航天器抗攻击规避方法研究

首先基于相对轨道要素建立了满足一定精度要求的两飞行器相对运动动力学模型.考虑主要摄动因素以及航天器、未知目标的运动关系.利用航天器上微波雷达等设备测量航天器与未知目标之间的相对距离、高低角和方位角,以及相应的变化率.据此可以计算出被测量目标的相对位置和相对速度,进而计算航天器与未知目标之间的相对轨道要素.实现相对导航.当未知目标轨迹被识别后.根据预警策略判断未知目标是敌意的、非敌意的,并且判定航天器需要规避或暂时不需要规避.并且本文基于相对轨道要素提出了规避轨道机动策略,航天器可以远离未知目标.伴随未知目标飞行,跟随未知目标飞行.机动回到初始飞行轨道.等等.最后.利用Simulink对航天器相对轨道运动、轨道规避预警方案、自主相对导航方案、轨道规避控制策略进行了建模.选取了典型的未知目标攻击和航天器规避算例,从仿真结果可以看出,本文所述规避方法是可行性的.     

基于轨道根数交接的弹道导弹落点快速预报

为实现弹道导弹精确落点的快速预报,提出基于轨道根数交接的落点预报方法。多功能地基相控阵雷达通过综合自身计算的目标轨道根数信息与远程预警相控阵雷达上报至预警中心的目标轨道根数信息,对弹道导弹实时定轨,待落点误差精度满足要求后,进行落点精确预报。仿真结果表明,相对传统落点预报方法,能够将预报时间缩短近40%。     

北斗三号GEO卫星的RDSS定轨精度分析

有源服务模式RDSS(Radio Determination Satellite Service)所具备的通信、导航一体化特性是我国北斗卫星导航系统的重要特色之一.为进一步提高RDSS的通信服务能力,并保障RDSS服务系统的健壮性,北斗三号RDSS服务从系统架构到信号体制都进行了很大改进.本文首先分析了新的信号体制下,RDSS测距在测量模型和观测噪声等方面的误差特性,并比较了其与原有信号体制的不同.为了避免在RNSS(Radio Navigation Satellite Service)载荷故障时RDSS不能正常提供导航服务的情况发生,RDSS系统需要能够仅利用RDSS测距完成GEO测轨,以此作为原有RNSS测轨的备份保障.文章进一步分析了这种情况下,仅利用RDSS测距进行GEO定轨的精度.通过实测数据分析,我们发现其精度可优于10 m,利用该轨道信息的定位、定时精度可以满足服务指标要求.     

北斗卫星导航系统(一期)星座轨道稳定性设计

星座稳定性设计是星座总体工程设计的主要内涵.针对北斗卫星导航系统(一期)星座稳定性设计问题,在利用解析方法深入分析星座摄动运动规律的基础上,综合考虑系统覆盖、导航精度、几何构型等约束条件,提出一种将发射部署、被动摄动、主动控制相结合的星座稳定性一体化设计方案.北斗星座系统的部署和运行结果表明:在时间和空间尺度上,星座动态几何因子(DOP值)稳定,重点服务区域动态DOP值小于4.2,在受限于构型维持控制的卫星可用性指标方面:IGSO卫星可用性大于99%,GEO卫星平均可用性大于96.7%.     

Using local geopotential model to implement underwater passive navigation

A main aspect of underwater passive navigation is how to identify the vehicle location on an existing gravity map, and several matching algorithms as ICCP and SITAN are the most prevalent methods that many scholars are using. In this paper, a novel algorithm that is different from matching algorithms for passive navigation is developed. The algorithm implements underwater passive navigation by directly estimating the inertial errors through Kalman filter algorithm, and the key part of this implementation is a Fourier series based local geopotential model. Firstly, the principle of local geopotential model based on Fourier series is introduced in this paper, thus the discrete gravity anomalies data can be expressed analytically with respect to geographic coordinates to establish the observation equation required in the application of Kalman filter. Whereafter, the indicated gravity anomalies can be gotten by substituting the inertial positions to existing gravity anomalies map. Finally, the classical extended Kalman filter is introduced with the differences between measured gravity and indicated gravity used as observations to optimally estimate the errors of Inertial Navigation System (INS). This navigation algorithm is tested on simulated data with encouraging results. Although this algorithm is developed for underwater navigation using gravity data, it is equally applicable to other domains, for example vehicle navigation on magnetic or terrain data.     

基于无迹卡尔曼滤波的导航星座并行式自主定轨

针对卫星轨道动力学模型的高度非线性及星座自主定轨的高精度需求,基于星间双向测距观测信息,提出了采用无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）作为星载算法的导航星座并行式自主定轨方案,并且给出了UKF算法中可见星先验信息引入的额外方差矩阵,以保证滤波的稳定性.仿真结果表明,该方案可以实现星座的长期自主定轨并维持一定精度.