导航卫星自主导航关键技术研究
本文关键词:导航卫星自主导航关键技术研究
更多相关文章: 自主导航 卡尔曼滤波 几何衰减因子 时间同步 伪距测量
【摘要】:正常情况下,导航电文中的卫星星历是由地面主控站每隔一定的时间上注给导航卫星的。如果地面系统长时间无法正常上注精密星历,卫星又不能自主更新星历,那么导航系统便失去其功效了。故导航卫星自主导航技术应运而生了。这种技术是指不利用地面系统实时上注的精密星历,而通过星间的双向测距和数据交换,而后经过一定的滤波处理,不断利用星间观测信息修正预报星历,由卫星自主地完成卫星定轨和守时的功能,以实现卫星导航系统能在一段时间内得不到地面支持的情况下依旧可以提供一定精度的导航功能。在平时,这种技术可以在我国定位站有限的情况利用星间观测的数据提高卫星定轨精度,提供更加优异的导航性能;在战时,可以增强导航卫星系统的保障。这是本课题研究的现实意义和学术价值所在。本文主要论述了星间观测体制的研究、星间观测的数据预处理方法研究、基于GDOP值最小化的选星方案研究、基于卡尔曼滤波的自主导航算法研究和地面以及在轨测试方案和结果。首先,因为星间观测与星间链路是密不可分的,或者,我们可以说,星间观测时建立在星间链路功能中的一部分。因此,对于星间链路的调研对于星间观测的研究是有很大借鉴意义的。星间观测体制包含有很多内容,其中有两点是具有先决性意义的,其一是观测频段的选择,其二是基于泛洪机制还是点对点机制。后文对此有一定程度的论述和总结。目前对于星间测距历元归算方法主要有两种,一种是基于多项式拟合方法,这种方法对采样精度要求较低,但运算量大,另一种是基于插值的归算方法,此方法运算量小但对采样精度要求较高。本文对星间测距数据中的历元归算进行了数据量和计算量减小的改进工作,采用动力学和星上积分器联合的方法取代传统的拉格朗日插值方法。从导航卫星到导航接收机的几何构性确定的定位精度最终表示为几何因子和伪距误差因子乘积的形式。一般地,将几何因子称作与卫星/用户集合布局相关联的几何精度因子(GDOP)。由于是乘积的形式,所以GDOP值对其定位结果的误差是一个乘积放大的形式,所以在进行定位解算的时候,尽量选择GDOP较小的卫星组合进行位置解算。现有的选星方法有:最佳选星法、准最佳选星法、几何优化法和模糊选星法。本文将对于地面GDOP值的计算公式扩展至星载接收机,并重新推导了GDOP值在星间场景下的取得最小值的公式,在此基础上对24/3/1的WALKER星座进行了选星方案的研究。通过仿真得出了一种基于GDOP值的最少卫星(4颗卫星)最优的选星方案。最后在这种模式下进行卡尔曼滤波处理,最后得到60天修正后的轨道误差约为8米左右。利用滤波处理技术,在没有地面更新星历的情况下,提高了卫星轨道的预报精度。本文的创新点如下:1对星间测距数据中的历元归算进行了数据量和计算量减小的改进工作,采用动力学和星上积分器联合的方法取代传统的拉格朗日插值方法。将单次测量的计算时间从21.0 10??秒减小到41.728 10??秒,降低了两个量级的计算时间,并且将归算精度提高到32 10??米。2将对于地面GDOP值的计算公式扩展至星载接收机,并重新推导了GDOP值在星间场景下的取得最小值的公式,在此基础上通过仿真构建了一个Walker星座,得出了卫星自主导航环境下的边界条件,并利用均匀采样和遗传算法求得了边界条件下GDOP最小值。通过生成的星历数据遍历整个星座求得该星座的GDOP最小值,验证了限定边界条件下的理论最小值的正确性。3通过仿真得出了一种基于GDOP值的最少卫星(4颗卫星)最优的选星方案。最后在这种模式下进行卡尔曼滤波处理,最后得到60天修正后的轨道误差约为8米左右。利用滤波处理技术,在没有地面更新星历的情况下,提高了卫星轨道的预报精度。从而表示,按照此中编号的卫星在组网初期进行分布就可以开始进行自主定轨的验证试验。
【关键词】:自主导航 卡尔曼滤波 几何衰减因子 时间同步 伪距测量
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:V448.2
【目录】:
- 致谢4-5
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-12
- 1 引言12-25
- 1.1 选题的背景与意义12-13
- 1.2 研究状况和文献综述13-23
- 1.2.1 天文导航技术13-15
- 1.2.2 导航卫星导航技术15-16
- 1.2.3 导航星座自主导航技术16-23
- 1.3 本文结构安排23
- 1.4 本文的创新点23-25
- 2 导航卫星自主导航技术的理论基础25-41
- 2.1 引言25
- 2.2 时间参考系统25-27
- 2.2.1 时间系统的定义25-27
- 2.2.2 各种时间系统的转换关系27
- 2.3 坐标参考系统27-30
- 2.3.1 坐标系统的定义27-29
- 2.3.2 地固系与惯性系的转换29-30
- 2.4 导航卫星轨道力学计算数学模型30-32
- 2.4.1 地球非球形引力31
- 2.4.2 日月引力摄动31
- 2.4.3 太阳光压摄动31-32
- 2.5 卡尔曼滤波的基本原理32-35
- 2.5.1 线性离散系统的卡尔曼滤波33-34
- 2.5.2 卡尔曼滤波的发散现象34-35
- 2.5.3 抑制滤波发散的方法35
- 2.6 导航卫星自主导航数据处理模式35-41
- 2.6.1 自主导航系统概述35-37
- 2.6.2 导航卫星自主导航技术数据处理模式37-38
- 2.6.3 分布式数据处理模式原理和信息流程38-41
- 3 星间观测体制研究41-50
- 3.1 引言41
- 3.2 频段选择研究41-42
- 3.3 星间测距体制分析42-44
- 3.3.1 UHF测距体制42-43
- 3.3.2 Ka频段测距体制43-44
- 3.4 星间建链拓扑结构分析44-50
- 3.4.1 星间链路拓扑结构概述44
- 3.4.2 固定链路拓扑模式44-50
- 4 数据预处理方法50-64
- 4.1 引言50
- 4.2 导航卫星星间双向伪距测量原理50-51
- 4.3 星间观测数据预处理51-64
- 4.3.1 相对论效应改正51-52
- 4.3.2 天线相位中心改正52
- 4.3.3 卫星天线收发延迟改正52-53
- 4.3.4 测量野值剔除53
- 4.3.5 测距历元改算归正53-64
- 5 基于卡尔曼滤波的自主时间同步算法64-75
- 5.1 引言64
- 5.2 星载原子钟钟差模型64-65
- 5.3 星载原子钟频率稳定度分析65-69
- 5.3.1 频率稳定度时域分析66-69
- 5.3.2 频率稳定度频域分析69
- 5.4 自主时间同步算法设计69-75
- 5.4.1 自主时间同步观测方程69-70
- 5.4.2 自主时间同步时钟状态模型70-71
- 5.4.3 仿真与分析71-75
- 6. 基于卡尔曼滤波的自主定轨算法75-82
- 6.1 引言75
- 6.2 自主定轨算法设计75-77
- 6.2.1 观测方程线性化75-76
- 6.2.2 状态方程线性化76
- 6.2.3 影响自主定轨精度的因素分析76-77
- 6.3 仿真与分析77-82
- 6.3.1 二代MEO星座自主定轨仿真77-79
- 6.3.2 测距精度对自主定轨精度的影响79-82
- 7 基于GDOP的自主导航算法分析82-92
- 7.1 引言82-83
- 7.2 GDOP的定义83-85
- 7.3 计算GDOP最小值的方法和分析85-89
- 7.3.1 GDOP最小值在空间中应用的推导85-86
- 7.3.2 GDOP最小值的仿真方案与分析86-89
- 7.4 基于GDOP最小的4颗导航卫星组网选星方案89-92
- 7.4.1 仿真与分析89-92
- 8 实物试验验证系统92-100
- 8.1 引言92
- 8.2 系统组成92-94
- 8.2.1 星上设备92-93
- 8.2.2 地面设备93-94
- 8.3 试验场景与场地94-95
- 8.4 试验条件分析95
- 8.5 试验条件验证95-96
- 8.6 导航卫星自主导航试验96-100
- 8.6.1 试验目的96-97
- 8.6.2 试验方案97-100
- 9 卫星真实状态测试系统100-110
- 9.1 引言100
- 9.2 测试系统组成100
- 9.3 测试项目100
- 9.4 测试流程100-101
- 9.5 测试条件101
- 9.6 发射EIRP及稳定度测试101-102
- 9.6.1 测试目的101
- 9.6.2 状态设置101
- 9.6.3 操作步骤101-102
- 9.6.4 测试结果102
- 9.7 天线指向精度测试102-104
- 9.7.1 测试目的102
- 9.7.2 状态设置102
- 9.7.3 操作步骤102
- 9.7.4 测试结果102-103
- 9.7.5 评估分析103-104
- 9.8 接收灵敏度和电平范围测试104-105
- 9.8.1 测试目的104
- 9.8.2 状态设置104
- 9.8.3 操作步骤104
- 9.8.4 测试结果104-105
- 9.8.5 评估分析105
- 9.9 测距精度测试105-110
- 9.9.1 测试目的105
- 9.9.2 状态设置105
- 9.9.3 操作步骤105-106
- 9.9.4 测试结果106
- 9.9.5 评估分析106-110
- 10 总结与展望110-114
- 参考文献114-118
- 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果118
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,本文编号:1089924
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