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。     

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.     

X射线脉冲星导航系统在月球摄影测量中的应用

初步探讨X射线脉冲星导航定位系统在月球摄影测量应用中的主要技术问题,包括绕月摄影测量卫星脉冲星导航数据获取、脉冲星导航数据处理和脉冲旱导航数据与摄影测量数据联合平差等问题。     

X射线脉冲星导航定位技术研究

X射线天文学催生了X射线脉冲星导航,并为其提供了理论和技术基础,本文分析了X射线脉冲星导航的原理和计算方法,介绍脉冲星导航研究的重大意义及进展情况,分别对该技术涉及的关键技术,即脉冲星巡天、脉冲到达时间、X脉冲探测器、时空基准的建立与维持和导航算法等做了介绍。     

区域卫星导航系统GEO卫星定轨观测模型

根据GEO导航卫星的轨道特性，给出了数学上严密的卫星伪距观测和载波相位观测模型，讨论了GEO卫星轨道和卫星钟差的解算条件以及单星定轨、多星组差定轨的可行性。     

GEO导航卫星定轨观测模型

根据GEO导航卫星的轨道特性,给出了严密的伪距观测和载波相位观测数学模型;讨论了其轨道和星钟差的解算条件,以及多星组差定轨的可行性。结果表明:在利用伪距时,如果测站钟差已知,需要4个以上站的数据才能进行定轨和星钟解算;如果站钟、星钟钟差已知,需要3个以上站的数据才能确定轨道。在利用站间组差伪距时,须有4个以上测站的钟差信息才能进行轨道和星钟解算;利用GEO卫星与MEO(IGSO)卫星组差定轨时,需要GEO卫星钟差已知且有3组星间组差数据。利用GEO卫星载波相位观测资料,不能单独解算轨道。     

GEO导航卫星定轨观测模型

根据GEO导航卫星的轨道特性,给出了严密的伪距观测和载波相位观测数学模型;讨论了其轨道和星钟差的解算条件,以及多星组差定轨的可行性.结果表明:在利用伪距时,如果测站钟差已知,需要4个以上站的数据才能进行定轨和星钟解算;如果站钟、星钟钟差已知,需要3个以上站的数据才能确定轨道.在利用站间组差伪距时,须有4个以上测站的钟差信息才能进行轨道和星钟解算;利用GEO卫星与MEO(IGSO)卫星组差定轨时,需要GEO卫星钟差已知且有3组星间组差数据.利用GEO卫星载波相位观测资料,不能单独解算轨道.     

X射线脉冲星导航定位原理及应用

本文介绍了脉冲星的基本概念，阐述了X射线脉冲星导航定位原理及主要特点，分析了系统组成的基本要素，指出了满足未来航天任务从近地轨道、深空至星际空间飞行的持续、高精度自主导航应用需求。     

脉冲星TOA测量误差及几何精度分析

利用信躁比估算法对脉冲星数据库中适宜导航的脉冲星进行了脉冲到达时间测量误差计算.分析了测量误差随观测时间及探测器面积的变化情况.在此基础上,指出了在DOP值分析中脉冲星导航与GPS的不同点;按照脉冲到达时间TOA测量误差较小原则给出了10组脉冲星优选组合.分析了DOP值随观测时间及观测脉冲星数的变化情况.     

脉冲星TOA测量误差及几何精度分析

利用信躁比估算法对脉冲星数据库中适宜导航的脉冲星进行了脉冲到达时间测量误差计算。分析了测量误差随观测时间及探测器面积的变化情况。在此基础上,指出了在DOP值分析中脉冲星导航与GPS的不同点;按照脉冲到达时间TOA测量误差较小原则给出了10组脉冲星优选组合。分析了DOP值随观测时间及观测脉冲星数的变化情况。     

晕轨道X射线脉冲星自主导航和轨道维持研究

提出一种利用X射线脉冲星的晕轨道自主导航方法。以高精度星历轨道动力学模型构建晕轨道状态方程,并利用二级微分修正方法获取惯性系下晕轨道的标称轨道。基于微分修正原理,利用X射线脉冲星的导航结果和小推力推进器,对晕轨道探测器进行轨道维持和控制,并以地月系L2点晕轨道为例进行了仿真实验。结果表明,该方法能够有效完成地月系L2点晕轨道探测器的自主导航和轨道维持任务。     

低轨卫星导航增强星座地基观测仿真系统设计

现阶段整星座低轨卫星观测数据的缺失制约了LEO卫星导航增强研究,针对该问题,本文设计了LEO导航增强星座地基观测仿真系统,构建生成了LEO星座伪距和载波相位观测值的仿真模型;介绍了仿真系统设计流程和架构、仿真地基LEO观测数据;使用RTKLIB进行了标准单点定位（SPP）和精密单点定位（PPP）解算,验证了仿真系统搭建的正确性,以及伪距和载波观测值仿真的正确性。结果表明,相较于只考虑几何距离的地基观测数据,该系统考虑各误差模型后观测数据置信度高,可用于支撑LEO导航增强星座定位研究。     

北斗系统载波相位动态差分定位方法

针对北斗系统高精度动态差分定位解算不够快速准确等问题,该文介绍北斗导航卫星系统载波相位动态差分定位方法:利用B1、B2载波相位观测值组成双差宽巷载波相位观测值,进行双差宽巷组合观测值整周模糊度的确定,然后解算双差载波相位观测值的整周模糊度,利用载波相位观测值进行动态定位解算;并通过BDS实测数据进行算法验证,证明本文解算的方法可以实现BDS高精度差分定位的整周模糊度动态解算,得到测站的厘米级差分定位结果。     

1PN近似下脉冲星导航的观测方程及精度分析

完整推导1PN度规形式下脉冲到达时间方程与脉冲星导航的观测方程。分析导航观测中的相对论影响;给出观测方程的级数展开形式,在此基础上分析脉冲星历表参数对观测时间的影响;讨论行星星历误差对观测时间的影响;推导星体扁率引起的测量时延表达式,分析不同星体扁率引起的时延量级。     

GPS导航电文中星历参数量化对接收机性能的影响分析

导航电文包含卫星导航系统中定位解算的基础数据,卫星轨道的计算精度与导航电文中广播星历参数的精度密切相关。电文帧结构中排布的各星历参数量化位数受限于电文传输的信息速率,需要进行详细的设计论证。本文首次专门分析和大量仿真了GPS导航电文中由星历参数的有限量化字长引入的误差对卫星位置计算精度的影响,并通过GPSL1C/A数字中频信号模拟器和软件接收机进行了闭环测试,结果表明NAV格式星历参数量化前后卫星位置的计算偏差在2h的星历有效时间内不超过0.2m;进一步的仿真分析表明其所引入的UERE(用户等效距离误差)偏差不超过0.06m,而对用户定位结果的影响在厘米量级。     

高频GNSS数据MGF周跳解算方法的质量控制

针对全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）高频数据周跳的高可靠性快速探测与修复,基于改进的相位几何无关(modified geometry-free, MGF)组合量,提出了MGF周跳解算的质量控制方法,以进一步提高周跳修复的成功率。根据MGF组合观测量及误差特征,推导了其周跳修复的边界条件,并分析了不同导航卫星系统MGF方法的适用性,及观测噪声对周跳解算结果的影响。在此基础上,构建了MGF组合的质量控制检验量,经多系统GNSS实测数据试验分析,结果表明:MGF方法能够对小周跳（如小于5周的周跳）实现快速探测,修复成功率可达到99.90%以上;利用MGF组合的质量控制检验量能够分别识别出GPS、BDS和GLONASS中100%、87.57%和77.42%的错误周跳解算结果,使得MGF周跳解算错误率降低至0.01%。MGF方法受相位噪声影响显著,MGF组合的质量控制检验量能够有效识别错误的周跳解算结果,从而提高周跳修复成功率,但随着相位几何无关组合量噪声水平的增加,MGF质量控制检验量对于周跳修复错误和观测噪声的区分性降低。     

几种机动力建模方法的分析比较

我国COMPASS卫星导航系统利用GEO卫星作为导航星座。由于GEO卫星要进行位置保持及倾角保持,需要定期进行轨道机动,因此,如何实现机动期间的精密定轨及轨道预报是COMPASS导航系统正常运行需要解决的问题。本文利用国内基于C波段转发测距体制获取的实测GEO卫星机动期间测轨数据,分别用常数经验力模型、脉冲经验力模型、脉冲机动力模型、短弧动力学法进行机动期间动力学定轨试验,用轨道重叠弧段法、定轨残差分析法对四种模型轨道确定及预报效果进行评价。结果表明,脉冲力模型具有最好的轨道拟合及轨道预报效果;脉冲机动力模型尽管增加了解算参数,但对预报结果改善有限。     

基于转发式的北斗卫星导航系统地球静止轨道卫星精密定轨试验

地球静止轨道卫星(GEO)在北斗卫星导航系统(Compass)的卫星导航中具有特别重要的作用,除了利用导航系统自身的伪距相位以外,利用其他的测轨系统对其进行精密定轨有着重要的意义。利用国家授时中心的转发式测轨网对Compass的GEO卫星进行观测,获取转发式测轨数据,利用该数据对Compass的GEO卫星进行精密定轨分析。分别从观测数据的观测精度,定轨残差以及轨道重叠误差等方面分析GEO卫星的定轨精度。     

一种提高导航精度的改进滤波方法

卡尔曼滤波技术是目前GPS/IMU组合导航中应用最广的误差估计关键技术之一。本文在捷联式惯导系统正向导航滤波算法与逆向导航滤波算法基础之上,提出一种将二者有机结合的组合滤波算法,用于事后IMU/GPS联合解算中,以提高组合导航的精度,并通过实际的机载飞行试验数据解算结果验证该方法的可行性。组合滤波后的位置精度达到厘米级,速度误差小于0.02 m/s,航向角精度约为0.2°。     

北斗卫星导航系统双差网络RTK方法

针对北斗卫星导航系统常规实时动态差分(RTK)定位中,整周模糊度的快速解算和流动站位置信息的解算精度问题,该文研究了一种北斗卫星导航系统双频双差网络RTK方法,首先解算参考站网B1、B2载波相位整周模糊度,利用固定的参考站网载波相位整周模糊度计算参考站的观测误差,使用区域误差内插法计算流动站的综合误差影响,改正流动站的观测误差并进行流动站的整周模糊度解算,最后使用实测数据进行算法实验。实验结果表明,该文的方法可以利用北斗卫星导航系统双频观测数据实现网络RTK流动站的厘米级定位。