IMU辅助X射线脉冲星的深空探测器精确定姿方法及仿真

为满足深空探测器的精确定姿需求,提出了一种惯性测量单元(IMU)辅助的X射线脉冲星定姿方法。该方法用IMU的速率陀螺来估计航天器短时姿态,观测两颗或多颗脉冲星的X射线辐射信号,将拟合得到的观测矢量作为滤波器信息输入,利用这两种测姿手段在时间和空间上的互补特性,提供一种全天候、抗干扰性强的定姿方法。仿真结果表明,相比于EKF,基于UKF的俯仰、横滚和偏航三姿态角的测量精度可提高21.9%、21.1%和31.7%;与仅使用脉冲星或IMU的定姿方法相比,组合定姿方法的俯仰角估计精度分别提高了32.5%和77.6%。     

X射线脉冲星单星动力学定轨

基于单脉冲星的动力学定轨,在X射线脉冲星导航技术尚不成熟时具有较强的实用价值.将X射线脉冲星观测方程与航天器动力学模型相结合,系统研究了利用X射线脉冲星观测量进行单星动力学定轨的方法原理.利用仿真数据量化分析了各项因素对定轨精度的影响,指出X射线脉冲星方向单位向量越靠近航天器轨道面单星定轨位置精度越差.因此提出了单探测器轮流观测多颗脉冲星的准多星定轨方法,从而使定轨精度由km量级提高到了20 m.     

航天器利用脉冲星进行自主导航定位和授时初探

介绍了脉冲星导航定位和授时服务的原理及方法,阐述了利用脉冲星进行航天器自主导航定位及授时的特点。认为脉冲星用于航天器导航授时服务,有可能进一步提高其时钟信息的长期稳定性,应用前景值得期待。     

基于X射线脉冲星的环火探测器同步定位和授时仿真分析

利用X射线脉冲星观测量不仅能够为深空探测器提供稳定可靠的位置、速度和姿态信息,还能够对探测器上的原子钟进行长期误差校正。火星探测任务中,存在探测器飞行时间长,钟差随时间累积严重降低脉冲星自主定位系统的精度等问题。针对此,提出了一种环火探测器同步定位和授时方法,对钟差进行建模,将钟差模型参数纳入到滤波系统中,利用自适应扩展卡尔曼滤波器同时计算探测器的位置、速度和钟差模型参数。仿真实验表明,经滤波校正后的钟差保持在300 ns以内,探测器的位置和速度精度分别优于200 m和0.03 m/s,精度得到明显改善。     

基于GNSS天线阵列的定姿方法研究

针对车载移动测量系统对运动载体姿态的确定,研究车载全球卫星导航系统(GNSS)天线阵列定姿方法,分析直接法和最小二乘法定姿的姿态解算公式,并进行GNSS天线阵列车载实验. 为得到两种定姿方法的精度,在不同软件定位模式解算的基础上,利用直接法和最小二乘法进行了姿态解算. 实验和分析结果表明:四天线阵列最小二乘法定姿精度优于三天线阵列直接法,可靠性更高;在所有组合中,基于Moving-base定位模式的四天线阵列最小二乘法定姿精度最高,其航向角、俯仰角和横滚角精度分别可达0.066 0°、0.168 4°和0.267 8°.      

FY-3D卫星姿轨误差标校及对定位影响研究

卫星轨道及姿态误差是影响图像地理定位精度的关键因素,以风云三号D星（Fengyun-3D,FY-3D）中分辨率光谱成像仪（medium resolution spectral imager,MERSI）为例分析了轨道及姿态实测数据,分析结果表明,FY-3D轨道及姿态均存在多种因素导致的误差,为确定该误差来源,利用卫星搭载的全球卫星导航系统掩星探测仪高精度星历对星上姿态数据全链条计算进行分析,确定姿态误差来源于星上算法存在误差,提出订正优化方案并分析其可行性,进而利用订正后的姿态及轨道数据进行图像地理定位。实测结果表明,MERSI的1 km图像地理定位精度在沿轨和跨轨方向均提升了约20%,达到亚像元级,分析结果表明,通过标校姿轨误差以提高定位精度的方法行之有效。     

脉冲星导航的相对论定位法(Ⅱ):4维时空的观测方程

现行X射线脉冲星导航方法中存在两种固有误差,源于推算太阳系质心在当前时刻接收脉冲的相位以及将航天器固有时转换成太阳系质心坐标时。针对这一情况,文章根据相对论定位系统的基本思想和后牛顿引力理论,导出了X射线脉冲星导航的4维观测方程。相对于现行的3维观测方程,新方法只需根据航天器测量脉冲轮廓的相位即可完成航天器定位,不必考虑太阳系质心处的光子到达时间因而不必推算该处观测者在当前时刻的脉冲轮廓相位;也不必进行航天器固有时与质心坐标时的转换因而不必预先估计航天器的运动状态。新方法简单易行,能够有效地减小测量误差,建议在X射线脉冲星导航中取代现行观测方程。     

基于X射线脉冲星的航天器动力学定轨

系统研究了利用X射线脉冲星观测量进行动力学定轨的全过程,给出了观测数据仿真的基本流程,并利用仿真数据对各项因素对定轨精度的影响进行了量化分析。     

航空矢量重力测量中姿态误差的分析

本文首先给出了航空矢量重力测量的数学模型,并依此得出了扰动重力矢量的误差模型。重点研究了平台式和捷联式两种情况下姿态误差对扰动重力矢量的影响,并得到了一致的姿态指标。水平姿态误差应小于0．2″,垂直姿态误差应小于10″,对航空矢量重力测量的发展具有一定的指导意义。     

脉冲星用于深空探测器导航定位及授时的探讨

研究了脉冲星导航基本原理,分析了现有脉冲星导航定位算法,探讨了其在深空探测器自主导航定位和授时方面的应用。     

利用改进的Kalman滤波算法进行GNSS单历元姿态测量

传统G PS单历元姿态解算中存在没有利用历元间的相互关系以及不能有效抵制粗差影响等问题,而Kalman滤波则可一定程度上解决这些问题。结合稳健估计理论对GPS单历元姿态解算提出了一种改进的Kalman稳健估计算法,通过实验及与传统的最小二乘解算方法相比较,该算法能够较好地消除历元间计算结果中出现的跳变值,使得解算结果更稳健。     

Integrity monitoring of high-accuracy GNSS-based attitude determination

Global navigation satellite system (GNSS)-based attitude determination has been widely used in the navigation fields. The reliability of attitude determination is indispensable for safety-critical applications. Since the multi-antenna-based attitude determination uses ultra-short baseline carrier phase double differential processing, the incorrect ambiguity resolution and the excessive measurement error are two main factors affecting the reliability of attitude determination. Since the ambiguity correctness validation cannot guarantee the reliability of the attitude solution, therefore an integrity monitoring method is proposed for the attitude determination in the measurement domain. The proposed integrity monitoring method constructs double test statistics to satisfy the requirements of integrity risk and continuity risk, simultaneously. Furthermore, the attitude alarm limit has been derived from the required navigation performance as the threshold to test the availability of attitude determination. The performance of the proposed method is tested by conducting the static and kinematic experiments, respectively. The static results have shown that the proposed integrity monitoring method is able to monitor the ambiguity fault and the excessive measurement noise. The real-world kinematic data have indicated that the proposed method can reduce the maximum attitude error by about 2.3°, when compared with the standalone ratio-test method.     

自适应抗差Kalman滤波在多天线原始观测值瞬时姿态确定中的应用

由载波相位观测值直接解算姿态能实现观测及姿态约束信息的最优利用。本文推导了基于失准角及乘性误差四元数的载波相位观测模型,分别建立了有外部角速度传感器和无外部传感器辅助下姿态参数估计的状态模型;利用自适应抗差滤波估计姿态误差,借鉴分类自适应因子的思想,分别确定模糊度和姿态误差参数的自适应因子,其中姿态自适应因子由Ratio值构造的三段函数确定。自适应抗差滤波能够充分利用约束信息和历史信息,将其融合在浮点解计算过程中,极大提高模糊度浮点解精度及其协方差的结构,在此基础上使用整数最小二乘模糊度降相关平差法(least-squares ambiguity decorrelation adjustment,LAMBDA)方法即能快速搜索出固定解,满足实时性需求。采用实测舰载GNSS 3天线测姿算例对方法进行了验证,结果表明,基于自适应抗差滤波的观测值直接定姿方法效率高、可靠性好。     

星敏感器/GNSS定姿系统的联合非线性预测滤波算法

提出一种联合式非线性预测滤波算法,解决该系统在姿态动力学模型误差非高斯分布条件下的多敏感器信息融合问题。从算法结构和估计准则两个方面证明非线性预测滤波(NPF)与Kalman滤波的等效性,分析联合式NPF的算法流程,讨论模型误差方差矩阵的计算方法,给出加权系数矩阵的设计准则;介绍星敏感器和全球卫星导航系统(GNSS)的定姿原理,推导星敏感器/GNSS组合姿态确定系统的联合式NPF滤波模型,分析系统的算法实现流程;进行数值仿真试验,结果表明联合式NPF算法融合NPF与联邦滤波的优良品质,可有效解决姿态动力学模型误差非高斯分布条件下无陀螺姿态确定系统的多敏感器信息融合问题。     

基于Partial-EIV模型的TLS姿态估计方法

推导了基于乘性姿态角误差的观测方程,顾及其系数矩阵也含有误差的特点提出一种利用整体最小二乘原理估计姿态参数的新思路。该问题的系数矩阵中同时存在随机元素和固定元素且存在结构性特征,故引入Partial-EIV模型,设计了一种符合其系数矩阵结构特点的新模型。最后通过两组仿真实验将其与已有姿态估计方法进行对比,得出结论:基于Partial-EIV模型的整体最小二乘解法解算精度高于常规最小二乘法;其解算效果与基于乘性姿态角误差的最小二乘法基本一致。表明本文提出的方法正确有效。     

利用灭点进行相机检校与定姿的充要条件及其不确定性分析

本文探讨和论证了利用三个正交方向的灭点进行相机的内外方位元素定标与定参的不确定性问题,给出了灭点定参的充要条件,着重探讨了双正交方向灭点联合误差分布下解算第三灭点的问题,补充了相对误差椭圆估计灭点的不确定性方法,并提出了利用Monte-Carlo 方法模拟第三灭点空间分布和估算分布范围大小（面积）的算法。本文不仅丰富了利用灭点定参的基本理论与方法,而且揭示了灭点空间分布规律和不确定性,为研究灭点基础应用的普适性提供理论依据。     

基于星敏感器的遥感卫星姿态确定仿真系统实现

为了在地面实验中研究基于星敏感器的遥感卫星姿态自主确定相关技术,本文在基于星敏感器的遥感卫星姿态确定半物理仿真系统工作原理的基础上,对整个系统的总体及各模块进行了详细的设计,最后建立了该半物理仿真系统,为多种目的服务。整个系统的建立能够为基于星敏感器的遥感卫星姿态确定技术新方法、新思路和新方案的研究提供参考。     

LiDAR室内检校模型粗差探测可靠性研究

基于机载LiDAR技术的测绘系统必需对其进行标定和校正,优化导航定位、定姿系统的测绘精度。冗余的观测数据不仅可以评估系统监测粗差的能力,还可以分析未检测粗差对导航结果的影响,评价结果的可靠程度。本文基于内、外可靠度理论,进行抗差检校模型的质量控制,实例分析表明该理论能有效衡量抗差模型对粗差的识别效果。     

在轨卫星无地面控制点摄影测量探讨

摄影测量卫星采用商用级星敏感器构成的测姿系统,其姿态测量存在不可忽视的低频和＂慢漂＂系统性误差,使得经过在轨标定后的星敏感器和三线阵CCD相机安装角转换参数产生额外的增量dφC、dωC、dκC。在一条航线内,这些增量可视为常量,依靠其在立体模型上表现的上下视差规律,在无地面控制点条件下,通过在光束法平差中增加对dφC、dωC及dκC补偿的措施,无地面控制点目标定位改善到11～22m左右。