北斗三号系统卫星自主完好性监测技术

完好性对于全球卫星导航系统(GNSS)来说至关重要,关乎到其能否被放心应用。卫星自主完好性监测(SAIM)技术,是完好性监测技术发展的前沿趋势,国内外卫星导航系统均竞相发展。介绍了北斗三号系统SAIM技术设计与实现的重要意义,从功能设计和实现原理两个方面,阐述了北斗三号SAIM技术体制。针对SAIM实际在轨监测数据的正态分布特性服从程度和长期稳定性等问题,随机选取某一颗中圆轨道(MEO)卫星自2020年7月31日北斗三号系统正式开通服务以来至2021年7月31日连续1年期间的监测数据,得到真实在轨监测数据的分布特性。最后,提出了告警门限优化、分级告警策略设计、星历完好性自主监测等方面的后续发展必要性建议,旨在为北斗系统更好地为全球用户提供更优质的完好性服务提供参考。

一种星光折射卫星自主导航系统方案设计

利用星光折射间接敏感地平的卫星自主导航方案具有导航精度高、自主性强的特点,是一种极具应用潜力的自主导航方案。在基于星光折射的自主导航方案中,折射星的准确识别与折射角的精确获取是实现高精度导航的基础。提出了一种基于双星敏感器,利用连续高度星图模拟与匹配技术实现高精度折射星识别和折射角获取的方法,并在此基础上设计了一种新颖的基于星光折射的卫星自主导航系统方案。同时,为了验证该方案的可行性,设计了相关的折射星仿真程序,以轨道高度为686km的对地观测卫星为例进行计算机仿真验证,结果表明在星敏感器精度为3″时,该导航系统平均位置误差约为145m,最大位置误差不超过400m。

卫星自主导航中星光大气折射模型的研究方法

研究了卫星自主导航的大气折射原理及平流层大气变化规律,根据光在湍流大气中的传播机理,给出了一种采用球形大气分层的可行研究方法.应用理想气体理论,根据卫星、地球及星光切高度之间的几何关系及光学定律,建立了星光大气折射的通用模型,给出了影响导航精度高度范围内的经验公式.仿真结果表明,新模型符合大气折射的变化规律,与现有的经验公式相比,形式简单、精度较高、使用方便,而且包含了大气的实际物理状态和变化过程,更具有实际应用价值.

基于星间链路支持的导航卫星自主完好性监测设计仿真

针对导航卫星在区域完好性监测网可视弧段之外难以实现基于地面监测站的系统级完好性监测问题,提出一种基于星间链路辅助支持的导航卫星自主完好性监测方法。该方法通过利用星间组合观测值,分离星钟误差和星历误差,采用基于平稳时间序列的非稳态异常检测算法对导航卫星星载原子钟相位抖动及频率的异常漂移进行监测;采用基于轨道先验信息的非中心化开方分布异常检测算法对轨道异常机动进行监测,并利用星间链路组合观测量对卫星自主完好性监测及其对全球用户完好性性能的提升作用开展仿真分析与研究。仿真计算结果表明:该方法可以在地面监测网不可视弧度内有效减小空间段卫星部分的故障漏检概率以及系统完好性风险,缩短完好性告警时间,提高全球卫星导航系统的完好性服务水平。

组合大视场星敏感器星光折射卫星自主导航方法及仿真

通过分析影响星光折射法卫星自主导航精度的因素,给出一种高精度自主导航的新方法。即利用组合大视场星敏感器,同时观测整个地球边缘的三颗恒星,通过卫星、地球、恒星方向之间的位置关系及给出的星光大气折射模型,精确确定地心方位,实现高精度自主导航。结合推广的卡尔曼滤波算法,建立了该方法的仿真模型,以某地球同步卫星为背景,利用模拟数据进行了系统仿真。仿真结果表明,该新方法具有较高的导航精度。

卫星自主导航中25～60公里星光大气折射模型研究

星光大气折射法是卫星自主导航技术发展起来的一种新的导航方法,直接影响其精度的主要因素是星光大气折射模型的不确定性.本文在研究卫星自主导航方法和大气折射原理及平流层大气的实际状态和基本变化规律的基础上,基于地球大气密度的实验数据,给出了平流层大气密度随高度变化的模型.采用球形大气分层的研究方法,根据光在湍流大气中的传播机理和卫星、地球、星光切线高度之间的几何关系以及光学定律推导出的折射角与大气密度的关系式,建立了星光大气折射模型,给出了影响导航精度的高度范围25～60公里的星光大气折射角随切线高度变化的经验公式.仿真结果表明,符合大气折射的变化规律,与现有的经验公式吻合较好,而且考虑了大气密度实际变化的影响,并有较大的实际应用价值.

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。

卫星自主轨道确定的自校准滤波

研究在导航敏感器测量带有系统偏差情况下的卫星自主轨道确定问题,已有的大量研究表明这类系统偏差是影响自主轨道确定系统性能的关键因素。针对这一问题,本文基于线性时变系统的可观性理论证明了系统偏差为未知常值时,自主导航系统的状态和常值偏差都是可观的。在此基础上设计了将系统偏差作为状态向量新增分量的自校准滤波器以估计轨道参数,同时校准系统偏差。数学仿真结果表明,采用自校准滤波可以将自主导航的位置精度从10km(3σ)量级提高到200-500m(3σ)。

基于高动态GPS接收机输出数据的卫星自主导航

为了减轻地面测控站的压力 ,研究了利用高动态 GPS数据进行卫星自主导航的方法 ;给出了旋转地球坐标系下的报轨动力学模型 ,在 N点位置误差最小二乘指标下 ,导出了一种计算卫星初始状态的迭代算法 ;用某型号接收机输出的位置数据 ,进行了报轨算法的检验 ,验证了方法的有效性。

存在常值偏差的卫星自主导航系统滤波算法

由于敏感器系统误差对导航精度影响较大,因此有必要对其进行标定。针对系统误差为常值偏差的情况,考虑到传统常偏扩维算法计算量大,且可能出现数值病态的问题,本文在UKF算法的基础上提出了两级UKF算法,该算法对状态和偏差实施分离估计,不仅能够精确标定常值偏差,而且还可以提高导航精度。利用该算法对存在常值偏差的月球卫星自主导航系统进行仿真,仿真结果验证了该算法的有效性。

二阶阶跃畸变模型下的卫星自主完好性监测接收机测距精度分析

测距精度是评估卫星自主完好性监测接收机在导航信号畸变环境下工作性能的一个重要指标。推导了卫星自主完好性监测接收机在国际民航组织二阶阶跃畸变模型下采用早晚相干跟踪处理时测距精度与畸变模型参数的解析表达式,理论分析和仿真结果表明数字畸变将导致接收机伪码鉴相器输出曲线存在过零点偏差,数字畸变量基本不影响接收机测距方差;模拟畸变将扭曲相关峰函数和鉴相器输出曲线,但鉴相器输出基本上不存在过零点偏差,模拟畸变参数、前端滤波器带宽和早晚码间距共同影响接收机的测距方差。

卫星自主导航中的偏差分离鲁棒滤波

研究卫星自主导航中的滤波算法。在以地心矢量为观测量的卫星自主导航系统中,由于观测模型不准、测量设备精度有限等因素,使得系统的观测量存在多种偏差,最终问题可抽象为观测量中含有偏差的离散线性系统的状态估计问题。把观测量中难以建模的复杂时变偏差看作不确定项,用一个模型误差界参数来描述不确定性的影响,由此设计鲁棒卡尔曼滤波器。进一步,把常值偏差与状态进行分离,分别构造无常偏的鲁棒滤波器和针对常偏的鲁棒滤波器,最终得到偏差分离鲁棒滤波算法。仿真表明该算法可以有效地抑制系统中的不确定性偏差,明显提高了卫星自主导航的精度。

基于日地月方位信息的近地轨道卫星自主导航

研究了用日地月方位信息进行卫星自主导航的方法。给出一种最小二乘导航算法。用 Gorddard空间飞行中心发布的我国实践 5号卫星的轨道数据 ,在对地定向三轴稳定的姿态运行模式下 ,模拟出了日、地、月在卫星本体坐标系中的方位测量数据。数字仿真实验结果表明 ,在地球敏感器噪声 0 .10°( 3σ) ,日、月敏感器噪声 0 .0 3°( 3σ)情况下 ,一天之内的导航径向误差在 - 30 0 m～ 2 0 0 m波动 ,相对地心的方位误差不超过 0 .0 4

时变大气模型应用于低轨卫星自主定轨

本文提出对太阳辐射与地磁活动长期预报参数进行修正,以确保参数的时变特性。修正后的参数作为高精度时变大气密度模型的输入,应用于低轨卫星自主定轨,保证大气阻力长时间内的实时自主计算。以CHAMP卫星为对象进行试验分析,结果表明:该方案的自主定轨精度整体优于传统的静态模型;且不会对星上计算效率产生太大影响;时变大气模型应用于低轨卫星自主定轨是可行的。

卫星自主导航中卡尔曼滤波算法改进与计算机仿真

该文以基于组合大视场星敏感器的卫星自主导航方法为例,建立了在地球非球形下的状态方程,建立了组合大视场星敏感器的观测方程及卫星轨道摄动等数学模型,在状态最优估计周围对模型进行了线性化,滤波过程中将传统的广义卡尔曼滤波的一步预测算法修改为一步初步预测和一步初步预测的校正的滤波算法,在每步的推进计算中对均方矩阵的元素进行了平均值处理,避免舍入误差的积累造成其失去对称性、甚至负定性的可能;通过计算机仿真及结果分析,说明了改进的广义卡尔曼滤波算法对减小采样周期所带来的轨道误差有很好的效果,并使卫星位置和速度的均方差估计趋于稳定,在一定程度上能很好地克服离散误差对轨道估计精度的影响。

卫星自主导航中月亮摄动及其仿真研究

卫星自主导航是卫星控制技术发展的必然趋势,是当今世界航天领域研究的前沿热点之一。该文针对基于组合大视场星敏感器星光折射的卫星天文自主导航方法,应用广义卡尔曼滤波理论,建立了月亮引力摄动下的系统状态模型和系统观测模型。对系统模型进行了状态最优估计周围的线性化和采样周期的离散化,给出了干扰方程。在滤波计算过程中,采用了改进的广义卡尔曼滤波算法,以某地球同步轨道通信卫星为背景,进行了计算机仿真研究。分析和讨论了月亮摄动力对卫星自主导航的影响,给出了其影响的变化规律。研究和仿真结果表明,月亮引力是卫星自主导航的主要摄动因素之一,直接影响卫星轨道倾角的变化,并且卫星轨道越高,影响效果越明显。

卫星自主完好性的观测量监测及检测量设计

完好性是卫星导航系统的核心性能指标之一,卫星自主完好性监测是地面运控工作模式下导航系统完好性监测的重要补充。围绕卫星导航信号观测量的完好性监测问题,给出伪距及载波观测值、伪码载波一致性以及多路伪码相位一致性指标的完好性监测方法,以及检测量的设计,并通过仿真计算得到满足民航信号空间完备性设计要求的检测门限和最小可检测异常值,为卫星导航自主完好性监测终端的设计提供了理论参考。

基于HLA的卫星自主导航仿真系统设计

该文根据卫星自主导航技术研究的需要,设计了基于HLA的仿真系统。在分析卫星自主导航技术基本原理的基础上规划设计了系统的仿真场景,根据任务功能需求提出了基于高层体系结构的卫星自主导航仿真系统框架,在对仿真系统中的卫星成员、恒星成员和控制成员等主要联邦成员的行为进行建模后,详细设计了相应的成员类,并对整个仿真系统的时间推进机制和时间管理策略进行了设计和说明。根据上述设计方案构建的仿真系统,可以对卫星自主导航技术进行仿真试验,从而完成其体制演示和关健技术验证。

朔月期间基于SEMOI的卫星自主导航方法研究

为解决朔月期的卫星自主导航,提出了一种利用日地月光学信息(SEMOI)的实现方法。利用朔月期卫星-太阳方向矢量与卫星-地球方向矢量间夹角,由迭代最小二乘法估计历元时刻的卫星定位数据,并以轨道预报方式实现卫星自主导航。给出了计算流程。仿真结果表明,该法的定位精度可满足民用卫星的导航要求。最后讨论了采样周期和敏感器精度等因素对定位精度的影响。

卫星自主完好性相关峰监视

卫星自主完好性监测(SAIM)技术是地面完好性监测手段的重要技术补充,可以有效缩短告警时间,有助于从根本上提高完好性性能。从SAIM技术出发提出多通道相关峰监测算法,实现多点异步采样,恢复相关峰。通过MATLAB软件仿真验证算法并给出典型异常模型及监测结果,并用普通接收机验证工程可实现性。通过软件仿真和实测结果对比论证了方法的可行性,采用成熟的商业星载接收机进行软件修改有效地降低了卫星完好性接收装置的研发难度。