本文關鍵詞：導航衛(wèi)星自主導航關鍵技術研究

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【摘要】：正常情況下,導航電文中的衛(wèi)星星歷是由地面主控站每隔一定的時間上注給導航衛(wèi)星的。如果地面系統(tǒng)長時間無法正常上注精密星歷,衛(wèi)星又不能自主更新星歷,那么導航系統(tǒng)便失去其功效了。故導航衛(wèi)星自主導航技術應運而生了。這種技術是指不利用地面系統(tǒng)實時上注的精密星歷,而通過星間的雙向測距和數(shù)據(jù)交換,而后經過一定的濾波處理,不斷利用星間觀測信息修正預報星歷,由衛(wèi)星自主地完成衛(wèi)星定軌和守時的功能,以實現(xiàn)衛(wèi)星導航系統(tǒng)能在一段時間內得不到地面支持的情況下依舊可以提供一定精度的導航功能。在平時,這種技術可以在我國定位站有限的情況利用星間觀測的數(shù)據(jù)提高衛(wèi)星定軌精度,提供更加優(yōu)異的導航性能;在戰(zhàn)時,可以增強導航衛(wèi)星系統(tǒng)的保障。這是本課題研究的現(xiàn)實意義和學術價值所在。本文主要論述了星間觀測體制的研究、星間觀測的數(shù)據(jù)預處理方法研究、基于GDOP值最小化的選星方案研究、基于卡爾曼濾波的自主導航算法研究和地面以及在軌測試方案和結果。首先,因為星間觀測與星間鏈路是密不可分的,或者,我們可以說,星間觀測時建立在星間鏈路功能中的一部分。因此,對于星間鏈路的調研對于星間觀測的研究是有很大借鑒意義的。星間觀測體制包含有很多內容,其中有兩點是具有先決性意義的,其一是觀測頻段的選擇,其二是基于泛洪機制還是點對點機制。后文對此有一定程度的論述和總結。目前對于星間測距歷元歸算方法主要有兩種,一種是基于多項式擬合方法,這種方法對采樣精度要求較低,但運算量大,另一種是基于插值的歸算方法,此方法運算量小但對采樣精度要求較高。本文對星間測距數(shù)據(jù)中的歷元歸算進行了數(shù)據(jù)量和計算量減小的改進工作,采用動力學和星上積分器聯(lián)合的方法取代傳統(tǒng)的拉格朗日插值方法。從導航衛(wèi)星到導航接收機的幾何構性確定的定位精度最終表示為幾何因子和偽距誤差因子乘積的形式。一般地,將幾何因子稱作與衛(wèi)星/用戶集合布局相關聯(lián)的幾何精度因子(GDOP)。由于是乘積的形式,所以GDOP值對其定位結果的誤差是一個乘積放大的形式,所以在進行定位解算的時候,盡量選擇GDOP較小的衛(wèi)星組合進行位置解算。現(xiàn)有的選星方法有:最佳選星法、準最佳選星法、幾何優(yōu)化法和模糊選星法。本文將對于地面GDOP值的計算公式擴展至星載接收機,并重新推導了GDOP值在星間場景下的取得最小值的公式,在此基礎上對24/3/1的WALKER星座進行了選星方案的研究。通過仿真得出了一種基于GDOP值的最少衛(wèi)星(4顆衛(wèi)星)最優(yōu)的選星方案。最后在這種模式下進行卡爾曼濾波處理,最后得到60天修正后的軌道誤差約為8米左右。利用濾波處理技術,在沒有地面更新星歷的情況下,提高了衛(wèi)星軌道的預報精度。本文的創(chuàng)新點如下:1對星間測距數(shù)據(jù)中的歷元歸算進行了數(shù)據(jù)量和計算量減小的改進工作,采用動力學和星上積分器聯(lián)合的方法取代傳統(tǒng)的拉格朗日插值方法。將單次測量的計算時間從21.0 10??秒減小到41.728 10??秒,降低了兩個量級的計算時間,并且將歸算精度提高到32 10??米。2將對于地面GDOP值的計算公式擴展至星載接收機,并重新推導了GDOP值在星間場景下的取得最小值的公式,在此基礎上通過仿真構建了一個Walker星座,得出了衛(wèi)星自主導航環(huán)境下的邊界條件,并利用均勻采樣和遺傳算法求得了邊界條件下GDOP最小值。通過生成的星歷數(shù)據(jù)遍歷整個星座求得該星座的GDOP最小值,驗證了限定邊界條件下的理論最小值的正確性。3通過仿真得出了一種基于GDOP值的最少衛(wèi)星(4顆衛(wèi)星)最優(yōu)的選星方案。最后在這種模式下進行卡爾曼濾波處理,最后得到60天修正后的軌道誤差約為8米左右。利用濾波處理技術,在沒有地面更新星歷的情況下,提高了衛(wèi)星軌道的預報精度。從而表示,按照此中編號的衛(wèi)星在組網初期進行分布就可以開始進行自主定軌的驗證試驗。
【關鍵詞】：自主導航 卡爾曼濾波 幾何衰減因子 時間同步 偽距測量
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-25
• 1.1 選題的背景與意義12-13
• 1.2 研究狀況和文獻綜述13-23
• 1.2.1 天文導航技術13-15
• 1.2.2 導航衛(wèi)星導航技術15-16
• 1.2.3 導航星座自主導航技術16-23
• 1.3 本文結構安排23
• 1.4 本文的創(chuàng)新點23-25
• 2 導航衛(wèi)星自主導航技術的理論基礎25-41
• 2.1 引言25
• 2.2 時間參考系統(tǒng)25-27
• 2.2.1 時間系統(tǒng)的定義25-27
• 2.2.2 各種時間系統(tǒng)的轉換關系27
• 2.3 坐標參考系統(tǒng)27-30
• 2.3.1 坐標系統(tǒng)的定義27-29
• 2.3.2 地固系與慣性系的轉換29-30
• 2.4 導航衛(wèi)星軌道力學計算數(shù)學模型30-32
• 2.4.1 地球非球形引力31
• 2.4.2 日月引力攝動31
• 2.4.3 太陽光壓攝動31-32
• 2.5 卡爾曼濾波的基本原理32-35
• 2.5.1 線性離散系統(tǒng)的卡爾曼濾波33-34
• 2.5.2 卡爾曼濾波的發(fā)散現(xiàn)象34-35
• 2.5.3 抑制濾波發(fā)散的方法35
• 2.6 導航衛(wèi)星自主導航數(shù)據(jù)處理模式35-41
• 2.6.1 自主導航系統(tǒng)概述35-37
• 2.6.2 導航衛(wèi)星自主導航技術數(shù)據(jù)處理模式37-38
• 2.6.3 分布式數(shù)據(jù)處理模式原理和信息流程38-41
• 3 星間觀測體制研究41-50
• 3.1 引言41
• 3.2 頻段選擇研究41-42
• 3.3 星間測距體制分析42-44
• 3.3.1 UHF測距體制42-43
• 3.3.2 Ka頻段測距體制43-44
• 3.4 星間建鏈拓撲結構分析44-50
• 3.4.1 星間鏈路拓撲結構概述44
• 3.4.2 固定鏈路拓撲模式44-50
• 4 數(shù)據(jù)預處理方法50-64
• 4.1 引言50
• 4.2 導航衛(wèi)星星間雙向偽距測量原理50-51
• 4.3 星間觀測數(shù)據(jù)預處理51-64
• 4.3.1 相對論效應改正51-52
• 4.3.2 天線相位中心改正52
• 4.3.3 衛(wèi)星天線收發(fā)延遲改正52-53
• 4.3.4 測量野值剔除53
• 4.3.5 測距歷元改算歸正53-64
• 5 基于卡爾曼濾波的自主時間同步算法64-75
• 5.1 引言64
• 5.2 星載原子鐘鐘差模型64-65
• 5.3 星載原子鐘頻率穩(wěn)定度分析65-69
• 5.3.1 頻率穩(wěn)定度時域分析66-69
• 5.3.2 頻率穩(wěn)定度頻域分析69
• 5.4 自主時間同步算法設計69-75
• 5.4.1 自主時間同步觀測方程69-70
• 5.4.2 自主時間同步時鐘狀態(tài)模型70-71
• 5.4.3 仿真與分析71-75
• 6. 基于卡爾曼濾波的自主定軌算法75-82
• 6.1 引言75
• 6.2 自主定軌算法設計75-77
• 6.2.1 觀測方程線性化75-76
• 6.2.2 狀態(tài)方程線性化76
• 6.2.3 影響自主定軌精度的因素分析76-77
• 6.3 仿真與分析77-82
• 6.3.1 二代MEO星座自主定軌仿真77-79
• 6.3.2 測距精度對自主定軌精度的影響79-82
• 7 基于GDOP的自主導航算法分析82-92
• 7.1 引言82-83
• 7.2 GDOP的定義83-85
• 7.3 計算GDOP最小值的方法和分析85-89
• 7.3.1 GDOP最小值在空間中應用的推導85-86
• 7.3.2 GDOP最小值的仿真方案與分析86-89
• 7.4 基于GDOP最小的4顆導航衛(wèi)星組網選星方案89-92
• 7.4.1 仿真與分析89-92
• 8 實物試驗驗證系統(tǒng)92-100
• 8.1 引言92
• 8.2 系統(tǒng)組成92-94
• 8.2.1 星上設備92-93
• 8.2.2 地面設備93-94
• 8.3 試驗場景與場地94-95
• 8.4 試驗條件分析95
• 8.5 試驗條件驗證95-96
• 8.6 導航衛(wèi)星自主導航試驗96-100
• 8.6.1 試驗目的96-97
• 8.6.2 試驗方案97-100
• 9 衛(wèi)星真實狀態(tài)測試系統(tǒng)100-110
• 9.1 引言100
• 9.2 測試系統(tǒng)組成100
• 9.3 測試項目100
• 9.4 測試流程100-101
• 9.5 測試條件101
• 9.6 發(fā)射EIRP及穩(wěn)定度測試101-102
• 9.6.1 測試目的101
• 9.6.2 狀態(tài)設置101
• 9.6.3 操作步驟101-102
• 9.6.4 測試結果102
• 9.7 天線指向精度測試102-104
• 9.7.1 測試目的102
• 9.7.2 狀態(tài)設置102
• 9.7.3 操作步驟102
• 9.7.4 測試結果102-103
• 9.7.5 評估分析103-104
• 9.8 接收靈敏度和電平范圍測試104-105
• 9.8.1 測試目的104
• 9.8.2 狀態(tài)設置104
• 9.8.3 操作步驟104
• 9.8.4 測試結果104-105
• 9.8.5 評估分析105
• 9.9 測距精度測試105-110
• 9.9.1 測試目的105
• 9.9.2 狀態(tài)設置105
• 9.9.3 操作步驟105-106
• 9.9.4 測試結果106
• 9.9.5 評估分析106-110
• 10 總結與展望110-114
• 參考文獻114-118
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果118

【參考文獻】

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