航天器高精度gps導(dǎo)航定位技術(shù)研究

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1、年1月中國工程科學(xué)Jan.2004M20046Vol.6No.1卷第I期EngineeringScience學(xué)位論文精選航天器高精度GPS導(dǎo)航定位技術(shù)研究向開恒，曲廣吉(中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部，北京100086)〔摘要I將GPS測量定位技術(shù)求解衛(wèi)星軌道攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)的Encke方法和廣義Kalman濾波技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，提出了利用GPS實(shí)現(xiàn)低軌道航天器高精度自主導(dǎo)航定位的新方法—載波相位一偽距綜合動(dòng)態(tài)定軌技術(shù)解決了GPS載波相位應(yīng)用中動(dòng)態(tài)解模糊和跳周修復(fù)的難題。以此為基礎(chǔ)，提出了兩個(gè)航天器之間的載波相位-偽距綜合差分動(dòng)態(tài)相對導(dǎo)航技術(shù)。數(shù)值仿真分析和半物理仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所

2、提出的動(dòng)態(tài)定軌技術(shù)是可行的，對提高GPS導(dǎo)航定位精度的效果是顯著的，并且其模型、算法和軟件具有工程實(shí)用性?！碴P(guān)鍵詞〕航天器;導(dǎo)航定位;全球定位系統(tǒng);載波相位;卡爾曼濾波【中圖分類號〕V474.2;V448.2;P228.4【文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A【文章編號」1009一1742(2004)01一0086一06同時(shí)也帶來了艱巨的挑戰(zhàn)。對GPS載波相位的測1引言量可以達(dá)到毫米級的精度，然而載波相位測量不能隨著在軌航天器從質(zhì)量到數(shù)量的突飛猛進(jìn)，而提供絕對的距離信息，接收機(jī)初始鎖定GPS信號地面測控資源相對有限，因此實(shí)現(xiàn)航天器的自主導(dǎo)時(shí)無法知道衛(wèi)星與接收機(jī)之間的載波整周期數(shù)目。航定位顯得尤為重要

3、，這是提高航天器在軌自主能另外，載波相位測量比偽距測量復(fù)雜得多并且非常力的一個(gè)重要方面。GPS在這方面的應(yīng)用已經(jīng)受敏感，在載波跟蹤過程中可能發(fā)生所謂跳周(cycle到廣泛關(guān)注，并且取得了相當(dāng)多的應(yīng)用成果，但這slip)現(xiàn)象—接收機(jī)漏記了載波相位的一個(gè)或多僅僅是個(gè)開始。個(gè)周期變化，從而導(dǎo)致測量信息的偏差[[21。因此，在利用GPS進(jìn)行航天器的導(dǎo)航定位方面，目如何充分利用載波相位測量的精確性就成為一個(gè)重前主要是采用單點(diǎn)定位(純幾何解)或偽距動(dòng)態(tài)定要的研究課題。軌的方式，也可以輔以載波相位對偽距測量進(jìn)行平本文概要地介紹了筆者的博士后研究課題“航滑。這些方法對于低軌道航天器，用標(biāo)準(zhǔn)定位

4、服務(wù)天器高精度GPS導(dǎo)航定位技術(shù)研究”的核心內(nèi)容(standardpositioningservice，簡稱SPS，只能用和主要成果。詳細(xì)的理論模型推導(dǎo)、數(shù)值仿真分析CA碼，目前已取消選擇可用性SA)通?？梢赃_(dá)和半物理仿真實(shí)驗(yàn)將分別作為專題內(nèi)容另文發(fā)表。到三維均方根誤差20m以內(nèi)的定位精度。更高精2指數(shù)加權(quán)廣義Kalman濾波動(dòng)態(tài)定度的絕對定位需求則需要利用載波相位測量并進(jìn)行軌模型全球差分跟蹤，例如美國和法國合作的海洋表面測繪飛行器TOPEX/Poseidon使用了十幾個(gè)遍布世界2.1指數(shù)加權(quán)廣義Kalman沁波各地的地面站，定位精度達(dá)到了10em以內(nèi)川。衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)方程是非線

5、性運(yùn)動(dòng)方程，因此采GPS的載波相位(carrierbeatphase)測量技用廣義Kalman濾波。Kalman濾波一般可分為離術(shù)為航天器高精度導(dǎo)航定位提供了新的解決途徑，散型、連續(xù)型和混合型幾種?；旌闲蚄alman濾波[收稿日期12003一0519;修回A期2003一10一22t作者簡介〕向開恒(1972).男。云南姚安縣人，博上，中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部高級工程師萬方數(shù)據(jù)第I期向開恒等:航天器高精度GPS導(dǎo)航定位技術(shù)研究的運(yùn)動(dòng)方程是連續(xù)的，而測量方程是離散的.它適偽距和偽距速率。在每一個(gè)采樣點(diǎn)，依次掃描接收合處理如下問題:系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性可由連續(xù)運(yùn)動(dòng)機(jī)的所有接收通道，當(dāng)

6、可用的測量信息多于一個(gè)通方程描述和預(yù)測，采樣測量的周期較長。如果將連道時(shí)，對各通道的測量信息分別進(jìn)行循環(huán)求解。這續(xù)系統(tǒng)離散后處理為離散的Kalman濾波問題，一樣，此方法可以適用于每次采樣時(shí)可見GPS衛(wèi)星方面會(huì)使問題復(fù)雜化，另一方面也使濾波精度下數(shù)量不等的情況，GPS接收機(jī)每個(gè)通道的有效測降，混合型的Kalman濾波正好解決了這個(gè)問題。量數(shù)據(jù)都可以用上。另外，即使只有一個(gè)通道的測另外，當(dāng)Kalman濾波系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型不準(zhǔn)量數(shù)據(jù)可用，也能繼續(xù)進(jìn)行濾波解算;如果測量數(shù)確時(shí)，長時(shí)間不間斷的濾波解算將導(dǎo)致濾波發(fā)散。據(jù)完全中斷，則利用動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行外推給出預(yù)測采用指數(shù)加權(quán)函數(shù)是避免濾波

7、發(fā)散的一種方法。指值。連續(xù)一離散廣義Kalman濾波對每次采樣的時(shí)數(shù)加權(quán)函數(shù)的物理意義是增加最近測量數(shù)據(jù)的可信間間隔也不要求一致。因此，可以說此方法體現(xiàn)了度，也就類似最小二乘法中增加遺忘因子使舊的數(shù)最大程度的靈活性。據(jù)逐步失去作用，從而保證新的測量數(shù)據(jù)不致淹沒3載波相位一偽距綜合動(dòng)態(tài)定軌在舊數(shù)據(jù)的深海中。指數(shù)加權(quán)廣義Kalman濾波算法具有若干優(yōu)3.1合成偽距點(diǎn):首先，可以避免對連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行離散化處理，為簡潔起見，在不致引起誤解的情況下，用載可以給出連續(xù)的狀態(tài)估計(jì);其次，克服了動(dòng)力學(xué)模波相位