修正钟差和方位误差的X射线脉冲星导航

为了减小的时钟漂移和脉冲星方位误差对自主导航系统的影响,提出了一种考虑钟差修正和方位误差的脉冲星导航方法。X射线脉冲星导航以脉冲到达时间为量测量,同时将星载时钟钟差和方位偏差造成的系统偏差作为增广状态构成状态变量,建立导航系统,利用无迹卡尔曼滤波器(Unscented kalman filter, UKF)进行状态估计。仿真结果表明,该方法可以抑制方位偏差对导航的影响,控制星载时钟钟差,同脉冲星导航相比,该方法提供更高的导航估计精度。     

基于神经网络的卫星钟差预报研究

针对卫星钟差的数学预测补偿问题,研究基于径向基函数神经网络的卫星钟差预报方法.以国际全球定位系统服务机构数据中心网站公布的卫星钟差数据作为输入样本,利用径向基函数神经网络进行学习训练,进行卫星钟差预报,将结果与线性插值法和多项式插值法以及数据中心发布的精密卫星钟差数据做比较,分析卫星钟差的预报精度.仿真结果表明,RBF神经网络逼近非线性函数的能力强、收敛速度快,卫星钟差预报精度高、残差波动小、拟合平滑度好.     

卫星编队相对动力学方程数值解法

随着卫星技术的迅速发展,编队飞行技术得到了广泛的应用,而相对动力学数学精确模型是卫星编队飞行首先要解决的问题.为了保证卫星飞行保持稳定轨道,按Hill方程的圆轨道编队设计方法应用于椭圆轨道编队设计中,分析了相对动力学方程的精确模型.在满足椭圆轨道编队周期性运动的一般性初始化条件基础上,采用椭圆轨道编队相对动力学方程中周期解的要求,提出了一种新的数值解法.通过仿真,利用STK仿真工具,得到主从卫星的相对位置变化曲线,并对误差进行了分析,进而验证了方法的有效性和可行性.     

基于紫外敏感器的卫星自主导航

卫星自主导航是指卫星不依赖地面支持,而利用星上自备的测量设备实时地确定自己的位置和速度,它是未来卫星导航的必然趋势.紫外敏感器具有精度高、体积小、可以实现多个敏感器功能的特点,利用地球成像的大小和位置以及恒星的位置可以获得卫星的导航信息.为了精确获得卫星导航信息,给出了轨道动力学模型,重点研究了地心矢量的确定方法,地心矢量的准确确定是精确导航的关键,提出了基于紫外敏感器的卫星自主导航模型,设计了扩展卡尔曼滤波算法,并结合轨道数据和测量数据进行了仿真,仿真结果说明了所提方案的有效性.     

根据相对位置测量信息自主确定两个航天器的轨道

已设计并分析了一种根据一个航天器与另一个航天器的相对位置失量测量信息自主确定两个航天器轨道的批处理滤波器。该系统对那些无法依赖GPS星座导航信号或地面站确定轨道的系统提供了一种高精度自主确定轨道的手段。该滤波器要利用惯性基准相对位置矢量的时间序列以及两个航天器的轨道动力学模型。它可以估算两个航天器的6个轨道状态矢量以及每个航天器的阻力系。该系统的可观性已利用这种原理演示过,此外,还针对多种情况估计了滤波器最佳状态可达到的位置精度。在特定配置下该滤波器器的位置精度可达到1m(rms)的水平。     

遥感卫星小推力轨道转移控制

在太阳同步回归轨道遥感卫星的小推力轨道转移控制问题的研究中,小推力推进与化学推进方式有本质不同,不能再用速度脉冲的方法来设计轨道.针对推力方式不同的问题,采用了一组无奇点的春分点根数表示小推力卫星的动力学模型,从最优控制理论出发,给出了协态变量微分方程和最优推力方向,将轨道转移问题转化为非线性参数优化问题,利用非线性序列二次型规划法求解.对遥感卫星在1天回归和10天回归轨道之间的转移控制问题进行仿真,证明了方法的有效性.     

综合船桥多源导航信息融合技术研究

在配备了捷联惯导、GPS、北斗、计程仪和罗兰C等多个导航设备的综合船桥导航系统中,针对常规的无重置联邦滤波器长时间导航会引起导航精度降低和滤波器发散的问题,以及实际应用中卡尔曼滤波对系统噪声和量测噪声统计特性要求的局限性,采用了局部反馈校正的无重置联邦滤波结构,设计了基于H∞滤波的局部反馈校正无重置联邦滤波器,并将其应用于综合船桥多源导航信息融合系统中.仿真分析表明,基于H∞滤波的局部反馈校正无重置联邦滤波器对航向角和位置的估计精度都高于常规的无重置联邦滤波器,具有更好的实际应用价值.     

无需角速度的含通信时延卫星编队飞行自适应姿态协同跟踪控制

针对编队卫星姿态协同跟踪控制中存在相异星间通信时变时间延迟的问题,提出了采用一阶滤波器来设计含通信时延的输出反馈控制器, 并通过引入参数在线自适应辨识技术,以实现利用卫星姿态误差信息来实现对卫星的转动惯量进行在线估计.对于系统稳定性的分析, 通过构造一新型Lyapunov函数,证明该控制器不仅能够有效地克服通信时间延迟对编队系统协同性的影响,同时可论证无需角速度信息反馈的闭环系统的有界稳定性.最后,将提出的算法应用于只需要角速度信息反馈的卫星编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有实际的应用前景.     

一种多变量广义最小方差自校正控制器

本文对一类多变量系统给出了一种广义最小方差自校正控制器,并讨论了系统加入这种 控制器后的闭环特性,将二次型性能指标的加权阵与系统闭环极-零点联系起来,从而就可根 据系统的期望闭环极点的位置在线选取加权阵.仿真结果表明这种控制器性能良好,工作可 靠.     

基于相对轨道根数计算的测绘卫星单点定位研究

传统测绘卫星定位方法无法获取轨道全面信息,且传统方法忽略了多个测绘卫星并行航行情况,导致出现定位误差的问题。因此,提出一种基于相对轨道根数计算的测绘卫星单点定位方法。采用基于J₂摄动模型的卫星轨道根数预测方法,预测卫星所在的轨道六根数,以此掌握卫星所在轨道信息;在此基础之上,通过基于相对轨道根数的卫星单点位置预测方法,预测卫星单点位置与卫星的运行速度,实现测绘卫星单点定位。实验结果验证：所提方法在多个测站位置的N、S、E三个方向的平均定位误差最大值为0.05 m。且所提方法预测近地卫星、中高度卫星、地球同步卫星所在轨道根数时,预测误差均方值均低于0.04;定位三种测绘卫星时,定位误差均方值最大值为0.02。数据表明所提方法可准确预测卫星位置信息,可作为测绘卫星定位的有效工具。     

空间翻滚目标捕获的双滑模面控制律与地面微重力试验

本文研究了空间翻滚目标捕获任务中的相对姿轨耦合控制问题.为了提高系统在有界干扰、测量误差、控制受限、参数不确定等因素影响下的控制性能,设计了双滑模面姿轨耦合控制律,并证明了该控制律作用下闭环系统的稳定性.通过数学仿真与传统单滑模面控制律进行了对比分析,结果表明双滑模面控制律的能够显著减小稳态偏差和噪声.进一步,构建了地面微重力半物理试验系统,设计了轨道面内对翻滚目标逼近与跟踪的任务场景,通过半物理试验结果验证了双滑模面控制律在姿轨控全系统实时闭环、微重力动力学条件下的有效性.     

基于LVDS的电子星模拟器设计

为了实现卫星姿轨控地面半物理仿真试验,设计了基于LVDS的电子星模拟器,图像分辨率支持1024*1024;图像位宽支持12 bit;能够同时完成帧频10 Hz的图像上传及采集;将星敏感器作为高精度姿态测量部件引入控制系统,地面动力学通过以太网将四元数提供给电子星模拟器,电子星模拟器将生成的电子星图通过LVDS传输给星敏感器,通过地面实时系统将控制系统、星务计算机、敏感器系统组成了实时仿真验证系统;试验表明电子星模的输出接近目标值,闭环测试中星敏采集到准确的星图;通过实物在闭环回路仿真验证了上述方案的有效性,并通过指标对比分析,显示了电子星模拟器的可行性,在卫星姿轨控地面半物理仿真试验中具有良好的推广性。     

粒子滤波在卫星轨道确定中的应用

卫星轨道确定问题中可能存在初始估计信息误差较大、状态及测量误差分布不是高斯分布等问题,为了寻求一个能采用解决这两种问题的方法,本文采用了“采样-重要性-重采样”SIR(Sampling Importance Resampling)粒子滤波算法作为滤波方法,以地磁场矢量为测量量,对低地球轨道卫星的轨道数据进行自主的估计.为了避免该滤波算法中的采样贫乏的问题,采用了一个崎岖化方法来克服采样贫乏问题.最后给出了此方法应用到了卫星轨道确定问题中的数字仿真实例.     

基于天文/GPS的HEO卫星自主导航方法

为了实现大椭圆轨道(HEO)卫星高精度自主导航,提出一种将直接敏感地平天文导航与全球定位系统(GPS)相结合的组合导航方法.首先,分析卫星轨道??2运动模型及其所受空间摄动,建立卫星轨道动力学模型;然后,分析单一使用天文导航和GPS的优缺点,根据HEO卫星对GPS的可见性,提出在远地点只采用天文导航,而在近地点采用以天文导航为主、适时引入GPS信号进行位速测量辅助修正的方法.通过计算机仿真和结果分析表明了所提出的设计方法导航精度比单一天文导航提高72.4%～85.6%.     

Simplified ultra-tightly coupled BDS/INS integrated navigation system

Due to advantages such as low cost, small size, low weight, low power consumption, powerful capability of anti-jamming, and high dynamics, ultra-tightly coupled GNSS/MIMU integrated navigation systems are extensively used in projectile and precision-guided munitions. To overcome the nonlinearity of baseband signal processing and the complexity of the navigation filter, in this paper, we design a novel architecture for the ultra-tightly coupled (UTC) Beidou navigation satellite system (BDS)/INS integration based on the BDS B3 signal, including the combination of code phase and carrier phase dynamics baseband prefilter model, and the navigation filter navigation error propagation and measurement models. To eliminate the clock state components, i.e., the receiver clock offset and clock drift, the pseudorange, delta pseudorange, and delta pseudorange rate residuals obtained from baseband signal prefilters are differenced between two satellites. Based on the BDS/INS simulator, a test system for the UTC BDS/INS integrated navigation system is developed and UTC performance is evaluated. Some preliminary conclusions are formed about the effectiveness of the UTC BDS/INS integration approach.     

Passive tracking from the combined set of bearings and frequency measurements by single satellite

In this paper,a new passive modified iterated extended Kalman filter(MIEKF) using the combined set of bearings and frequency measurements in Earth Centered Inertial(ECI) coordinate is proposed.A new measurement update equation of MIEKF is derived by modifying the objective function of the Gauss-Newton iteration.A new gain equation and iteration termination criteria are acquired by applying the property of the maximum likelihood estimate. The approximated second order linearized state propagation equation,Jacobian matrix of state transfer and measurement equations are derived in satellite two-body movement.The tracking performances of MIEKF,iterated extended Kalman filter(IEKF) and extended Kalman filter(EKF) are compared via Monte Carlo simulations through simulated data from STK8.1.Simulation results indicate that the proposed MIEKF is possible to passively track low earth circular orbit satellite by a high earth orbit satellite,and has higher tracking precision than the IEKF and EKF.     

基于FPGA和PCIe总线的电子星模拟器设计

为了实现卫星姿轨控地面半物理仿真试验,设计了基于FPGA和PCIe总线的电子星模拟器,图像分辨率支持1024*1024;图像位宽支持12bit。电子星模拟器图像处理卡基于FPGA的硬件结构,与上位机界面软件通过PCIe总线交互数据,采用LVDS(Low Voltage Differential Signaling)信号收发星图数据。地面动力学按照10ms周期将四元数通过以太网发送给电子星模拟器,电子星模拟器将生成的电子星图通过LVDS传输给星敏感器,通过地面实时仿真验证系统验证,电子星模的输出与目标值误差小于0.07%,闭环测试中星敏采集到准确的星图,显示了电子星模拟器的可行性,在卫星姿轨控地面半物理仿真试验中具有良好的推广性。     

GNSS signals processing via linear and extended Kalman filters

In this paper, a new linear estimator that enables solution of the user position estimation problem has been designed for the case of global navigation satellite system (GNSS) utilization. The proposed recursive linear Kalman filter (LKF) does not need any linearization for nonlinear GNSS measurements and enables accurate estimation of the user coordinates and the distance measuring errors resulting from the time differences between the user and the satellite (clock bias). Comparison of the presented linear and conventional extended Kalman filters for the stationary and moving users' position estimation via GNSS measurements is performed. Copyright © 2010 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society     

基于一致性时钟同步方法的天基时频同步网建模与仿真技术研究

以卫星网络为核心的天基信息网络是现代通信网络的主要发展方向,卫星网络的高精度时频同步是天基信息网络正常运行的基础,也是卫星应用研究必不可少的前提条件;针对天基信息网络的时频同步问题,对基于一致性时钟同步方法的天基时频同步网建模与仿真技术进行了研究,通过相邻卫星节点建立的星间测量链路,实现了高精度时钟同步;进行了天基时频同步网建模与仿真系统的需求及功能组成的分析,完成了卫星网络场景仿真以及一致性时钟同步方法的仿真,仿真结果表明,逻辑时钟的时间偏差优于0.1 ns,相对频率偏差优于1e-10,时间间隔误差优于0.1 ns,时钟偏差优于10 ps@1000 s,阿伦方差优于1e-15@1 h。     

基于神经网络的机电伺服系统非线性控制

针对机电伺服系统精确动力学模型难以获取以及系统状态信息的测量易受噪声影响的问题,设计一种基于指令滤波与神经网络相结合的非线性反步控制算法,该算法能够有效地补偿未建模动态和外部扰动对机电伺服系统的影响.首先,引入指令滤波器来获取已知信号的微分估计并处理噪声;其次,利用神经网络估计未知的系统动态,包括未建模的摩擦和外部干扰;然后,神经网络权值的更新律通过梯度下降算法在线实现,没有离线学习阶段;最后,利用李雅普诺夫函数分析方法证明闭环系统的稳定性.为验证所提出算法的有效性,在机电伺服实验平台上进行大量对比实验,实验结果表明,所提出的算法具有良好的控制效果,对系统不确定性和外部干扰具有良好的鲁棒性.