利用星间双向测距数据进行北斗卫星集中式自主定轨的初步结果分析

自主定轨是导航卫星自主导航的重要任务,是指在地面运行控制系统不可用的情形下,利用星间测距维持导航系统星历的自主更新.本文利用北斗新一代导航试验卫星搭载的Ka波段星间双向测距数据,进行集中式自主定轨试验.首先给出了星间双向测距数据的处理流程和数学模型,并分析了星间双向测距数据的测量特性.结果表明星间双向测距数据是一种高精度的距离测量.将星间双向测距数据用于定轨处理,残差标准差小于1 0 cm,均值好于1.0 cm,解算的设备零值稳定度好于0.2 ns.分别利用重叠弧段比较、用户等效距离误差评估和激光残差等方式评估了自主定轨的精度.结果表明,在一个地面锚固站支持下,自主定轨得到的卫星轨道径向重叠弧段互差优于6 cm,预报2 4 h径向重叠弧段互差优于1 0 cm.2 4 h预报轨道用户等效距离误差为0.4 3 m,优于L波段预报轨道的0.76 m,激光残差优于1 0 cm.星间链路对地观测为自主定轨提供空间基准,避免星座的整体旋转.本文讨论对地测量时长对自主定轨的影响.结果表明即使星间链路对地观测的截止高度角为60°,自主定轨结果和2 4 h预报轨道径向误差优于10 cm,三维位置优于1.5 m.     

基于广播星历参数的卫星自主导航算法

在自主导航中,目前星载处理及传输能力还不足以支持传统模式下全星座集中式动力学定轨算法.为了尝试将集中式应用于星载处理的可能性.本文提出了一种以卫星长期预报星历为基础,以广播星历参数为变量,由观测数据直接获取广播星历修正结果的集中式运动学定轨方法.该方法在地固系下进行轨道计算,无需上注EOP参数,定轨结果无误差累积.并且该方法将轨道确定与星历拟合合并为一步进行,既省略了轨道积分计算,又直接获取广播星历,可有效降低处理的计算量.试验结果表明该方法在4 h弧段内可将数据采样间隔放宽至20 min,有效减低了自主导航对星间链路测量频度及数据处理频度的要求.在现有卫星轨道60 d长期预报精度条件下,可满足URE 1 m、位置3 m的定轨精度.为集中式定轨方法应用于星载处理提供了可能.     

北斗新一代试验卫星星钟及轨道精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星和3颗中轨地球轨道卫星组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能.导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生,本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升.结果表明新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,地球倾斜静止卫星(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)短期预报误差从0.65ns减小到0.30ns,中轨道卫星(Medium Orbit,MEO)短期预报误差从0.78ns减小到0.32ns,IGSO/MEO卫星中期预报误差均从2.50ns减小到约1.50ns.星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)是北斗全球系统最重要的技术体制设计之一,本文评估了试验卫星实现的星间伪距测量对提升空间信号精度,即轨道和钟差的贡献,得到在地面监测网无法连续覆盖到的境外弧段,高精度星间链路测量对轨道确定和钟差测定精度的提升尤为明显.加入星间伪距测量,MEO卫星重新入境时钟差预报误差由3ns减小至1ns以内.采用星地星间联合定轨方法估计的卫星轨道径向重叠弧段互差优于0.1m,三维位置重叠互差优于0.5m,预报24h径向重叠弧段互差优于0.2m,三维位置重叠互差优于1m,均较区域监测网L波段定轨结果有较大提升.为解决多星定轨处理时卫星钟差与轨道高度耦合问题,本文提出了卫星钟差半约束模式定轨处理方法.用户等效距离误差分析结果表明采用卫星钟差半约束的定轨模式,卫星轨道预报4h用户等效距离误差由1.04m减小至0.82m.     

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.
     

地面大功率干扰源对导航星座星间链路的干扰分析

为了定量分析地面大功率干扰源对导航星座星间链路的影响程度,提出单星干扰解析模型,通过等效载噪比定量描述干扰强度,通过测距误差和通信误码率衡量干扰对单颗导航卫星的影响。根据导航星间链路的工作特点,对卫星受干扰导致整星座星地联合定轨及星间转发通信功能异常的原理进行分析。研究结果表明:星间链路系统具有较强的抗地面干扰的能力,地面单个大功率干扰源对星地联合定轨精度的影响小于厘米级,对星间转发通信的影响仅为部分卫星的链路传输代价增加以及直接干扰卫星一段时间内的通信异常。     

基于星敏感器和星间链路的卫星星座自主定轨研究

以对地定位观测三星星座为例, 研究了联合星敏感器和星间链路测量信息的卫星星座自主定轨方法. 通过仿真三星星座星间链路观测和CCD星敏感器对背景恒星的观测, 生成两种类型的仿真观测资料, 基于这些资料建立了星座联合自主定轨的测轨方程, 在此基础上进行了星座自主定轨的仿真计算. 综合考虑各种定轨方案以及潜在的各种测量误差的影响, 对卫星星座自主定轨精度进行了比较和分析, 结果表明所采用技术手段应用于卫星星座自主定轨是可行的, 并形成了若干研究结论, 对于这种自主定轨技术拓展应用于更广泛意义下的卫星编队星座具有重要的参考价值.     

椭圆限制性三体问题模型下平动点拟周期轨道卫星的自主定轨分析

基于椭圆限制性三体问题,研究了平动点轨道卫星导航星座仅利用星间测距进行自主定轨的技术。分别分析了平面Lyapunov轨道和垂直Lyapunov轨道上卫星仅利用星间测距进行自主定轨的精度。为了提高拉格朗日轨道导航星座对月球空间的覆盖范围,设计了由地月系的L1、L2、L4和L5四个平动点附近的拟周期轨道上的卫星构成的导航星座,分别利用扩展卡尔曼滤波方法和无迹卡尔曼滤波方法进行了自主定轨仿真分析,结果表明:平动点轨道导航星座可以仅利用星间测距实现长期高精度自主定轨。     

导航星座激光/微波星间链路协同时间同步方法研究

时间同步是卫星导航系统提供定位、导航以及授时服务的关键.星座自主运行模式下需要通过星间链路组网进行星座整网时间同步,以支持正常的导航定位服务.相比于微波链路,连续建链的激光链路可以提供时标统一的、更高精度的钟差测量结果.本文提出一种星座自主运行模式下激光/微波星间链路协同时间同步方法.通过连续观测的激光星间链路建立时间比对网络,基于加权平均算法生成星间时间基准;激光比对网络外卫星通过时分体制微波链路,利用分布式卡尔曼滤波算法溯源至星间时间基准,实现星座整网时间同步.基于新一代北斗星座进行整网时间同步性能仿真,激光/微波协同时间同步方法生成的时间基准相比微波星间链路生成的时间基准,短期、中期稳定度均有明显提高,整网时间同步误差标准差优于0.05 ns.     

卫星导航系统自主导航技术研究与验证

本文结合全球卫星导航系统自主导航技术发展现状,介绍了自主导航能力的发展特点及重要作用,分析设计了卫星导航系统自主导航体系架构,并对自主导航关键的时空基准保持技术进行了分析,提出了基于星间观测的完全自主导航的滤波算法、滤波状态噪声协方差信息选择方法及自主导航星载数据处理方法.论证了基于地面观测数据(锚固站)的半自主导航方法,比较了不同锚固站分布、数量及观测周期对自主导航性能的影响,并利用一套地面仿真试验系统验证了自主和半自主模式下的精密定轨和时间同步精度,可为卫星导航系统自主导航设计提供参考.     

北斗卫星整网集中式自主定轨算法研究

由于分布式定轨算法只能得到局部次优解,为进一步提升北斗卫星自主导航算法精度,对北斗卫星整网 集中式定轨算法在轨实现方法进行研究。设计了基于推广卡尔曼滤波算法的整网集中式定轨算法及其在轨实 现流程,并利用北斗卫星上的龙芯1E300 处理器对算法精度及工程可行性进行了评估。仿真结果表明,整网集 中式算法精度优于分布式导航算法。且通过在龙芯1E300 处理器上仿真验证可知,集中式导航算法已具备星 上使用条件。     

全球导航星座的远地/深空导航应用研究

全球卫星导航系统为低轨和地面用户提供导航服务已有广泛的研究.中高轨卫星以及深空卫星的定轨、定姿和时间同步,目前主要利用地面测控系统完成,存在设备复杂、投资高、无法同时支持大量飞行器、无法自主运行等缺点.本文研究中高轨卫星和深空卫星利用全球导航星座进行定轨、定姿和授时服务的可行性,实现其扩展应用,寻求全球导航星座作为天基网时空基准的高效途径,使得天基网的自主导航与自主运行成为可能.论文提供了一套解决方案,在不增加卫星设备的前提下,通过星间链路的巧妙设计,实现对远地、深空飞行器的无源导航服务,重点研究了卫星可见性、几何精度因子（GDOP）等内容,进行了定位、定时精度分析,为全球导航星座的建设提供思路.     

导航星座自主导航技术研究

导航星座自主导航日益成为新一代卫星导航系统的主要研究方向。在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上，重点提出了导航星座自主导航的关键技术，包括卫星星历与时钟参数的长期预报技术、星间测距与通信链路的建立和维持技术、星座卫星自主时间同步技术、星座卫星自主星历更新技术、自主导航信息处理的鲁棒滤波技术、星座整体旋转建模技术，以及地球自转及极移参数的长期预报技术。详细分析了关键技术实施途径，论证了相关数学模型。最后，对星座卫星自主时间同步与星历更新算法进行了系统仿真，结果表明：通过星载滤波器处理星间双向测     

考虑波束限制的改进导航星座星间链路方案

导航卫星星座系统由于卫星间的相对运动使卫星的相互可见关系不断变化,这给链路选择带来了挑战.本文研究具有同轨及异轨星间链路的导航星座网络,综合考虑星间链路状态,通过比较最短路径方案和K短路径方案,提出了一种考虑波束限制的适用于导航卫星星座的星间链路优化方案,并进行仿真研究,最后得出了有用的结果.     

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EA-SA的卫星初始轨道确定算法

卫星初始轨道的精度将直接影响到最终轨道的精度,因此为了提高卫星初始轨道计算精度,提出了一种基于进化算法(EA)和模拟退火算法(SA)的卫星初始轨道确定算法.介绍了该算法的Lambert定理形式,阐述了该算法的实现步骤,并结合某次卫星定轨实际情况验证了该算法的可行性和有效性.实践证明,该算法具有较强的局部和全局搜索能力,其定轨精度比目前常用的定轨算法高,具有较好的工程适用性.     

转发式测距和直发式伪距的GEO卫星联合定轨

GEO卫星是区域卫星导航系统空间段的重要组成部分.仿真模拟表明,在星座组网运行时通过差分策略可消除卫星钟差,但对只有GEO在轨运行的单星模式需要引进其他测轨技术才可能获得高精度的GEO轨道和钟差信息.本文提出联合转发式测距和直发式伪距数据的GEO卫星联合定轨和钟差估计方案,克服了转发式跟踪站数量和测距数据有限的问题,实现了对直发式伪距跟踪站星地组合钟差的估计,并且保持了卫星星历与钟差的自洽性.利用我国区域跟踪网对GEO卫星的实测数据进行了联合定轨试验,开展了详细的误差协方差分析说明了转发式和直发式两种测轨技术的贡献,结果表明：转发式测距数据的定轨残差为0.203m,直发式伪距的定轨残差为0.408m.定轨弧段内激光外符视向精度为0.076m,预报2h激光外符视向精度为0.404m,星地钟差估计精度约为1.38ns.对于基于单个转发跟踪站的转发直发联合定轨,激光外符视向精度为0.280m,预报2h激光外符视向精度为0.888m,星地钟差估计精度约为1.55ns.相关指标满足了导航服务的需求.     

CE-5T1探月飞行器地月转移段和环月段的实时定轨

随着我国探月工程和深空探测工程的实施,传统的地基测轨手段联合最小二乘定轨预报的模式已难以满足定轨任务的实时性需求,为此需要发展飞行器的自主测轨手段和定轨方法.本文采用扩展卡尔曼滤波算法对探月飞行器进行实时定轨研究.对CE-5T1月地转移段约2.5?h弧长的星基GNSS伪距数据进行滤波处理,计算结果表明,以预报轨道为先验参考轨道,约1?h后滤波即可稳定收敛,且收敛后轨道精度与批处理统计定轨精度相当,位置偏差(Root Mean Square,RMS)约在30?m,速度偏差好于1?cm/s.对CE-5T1环月段地基测量数据进行滤波计算,计算结果表明,对于轨道周期为2h的月球探测器,位置偏差好于50m(RMS).由于之前的定轨信息通过协方差矩阵传递保留,月球遮挡探测器以及月球升落引起的地面测轨数据长弧段间断不会影响后续可视弧段的滤波精度,且只需一两个观测数据即可快速收敛至滤波稳定.     

基于星间光学测量的多星联合定轨

目的为了节约测控资源。方法采用天地基测量的卫星星座联合轨道确定,同时阐述了基于星间光学测量的多星精密轨道确定的关键技术,给出了星间光学测量模型及对应的偏导数计算公式,分析了多星联合定轨所面临的主要问题及应对的解决方案。结果实现了真正的多星同步轨道积分。结论对天基监测的非合作目标卫星轨道确定进行了计算分析,为天地基一体化联合多星定轨提供了基础。     

区域监测网精密定轨与轨道预报精度分析

我国导航系统采用区域监测网提供轨道预报等导航服务．由于区域网不能覆盖地球中轨轨道（MediumEarthOrbit,MEO）SE星全弧段,并且受卫星相对于监测网几何条件限制,若采用与全球网相同的定轨和预报策略,预报精度难以满足我国导航系统的指标要求．预报精度决定于定轨获得的初轨和力学模型的精度．针对MEO卫星星座的区域监测网定轨预报问题,本文提出两步法策略,即首先解算部分动力学参数和轨道参数,然后强约束这部分动力学参数的估值,重新解算所有动力学参数和轨道,并利用得到的初轨和动力学参数进行轨道预报．利用实测GPS数据的实验表明,采用两步法定轨策略可获得对动力学参数的合理解算结果,并可提高轨道预报精度,预报1天轨道的平均用户距离精度（UserRangeError,URE）优于0．6m．     

基于多传感器的卫星容错自主导航系统

在由星敏感器、红外地平仪、雷达高度计、紫外敏感器组成的卫星多传感器容错自主导航系统中,采用容错联邦滤波算法,突出了多传感器系统信息冗余的优势,数据处理速度快,算法计算量小,具有较高的工程实用价值.仿真结果表明,该方案能够获得较高的定轨精度,当1个或多个导航子系统出现故障时,系统能够检测并隔离相应的故障子系统,同时还能利用隔离后的子系统获得局部导航最优解,从而有效提高了卫星导航系统的可靠性和精度.