航天器高精度gps导航定位技术研究

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1、年1月中国工程科学Jan.2004M20046Vol.6No.1卷第I期EngineeringScience学位论文精选航天器高精度GPS导航定位技术研究向开恒，曲广吉(中国空间技术研究院总体设计部，北京100086)〔摘要I将GPS测量定位技术求解卫星轨道摄动运动的Encke方法和广义Kalman滤波技术有机地结合在一起，提出了利用GPS实现低轨道航天器高精度自主导航定位的新方法—载波相位一伪距综合动态定轨技术解决了GPS载波相位应用中动态解模糊和跳周修复的难题。以此为基础，提出了两个航天器之间的载波相位-伪距综合差分动态相对导航技术。数值仿真分析和半物理仿真实验结果表明，所

2、提出的动态定轨技术是可行的，对提高GPS导航定位精度的效果是显著的，并且其模型、算法和软件具有工程实用性。〔关键词〕航天器;导航定位;全球定位系统;载波相位;卡尔曼滤波【中图分类号〕V474.2;V448.2;P228.4【文献标识码〕A【文章编号」1009一1742(2004)01一0086一06同时也带来了艰巨的挑战。对GPS载波相位的测1引言量可以达到毫米级的精度，然而载波相位测量不能随着在轨航天器从质量到数量的突飞猛进，而提供绝对的距离信息，接收机初始锁定GPS信号地面测控资源相对有限，因此实现航天器的自主导时无法知道卫星与接收机之间的载波整周期数目。航定位显得尤为重要

3、，这是提高航天器在轨自主能另外，载波相位测量比伪距测量复杂得多并且非常力的一个重要方面。GPS在这方面的应用已经受敏感，在载波跟踪过程中可能发生所谓跳周(cycle到广泛关注，并且取得了相当多的应用成果，但这slip)现象—接收机漏记了载波相位的一个或多仅仅是个开始。个周期变化，从而导致测量信息的偏差[[21。因此，在利用GPS进行航天器的导航定位方面，目如何充分利用载波相位测量的精确性就成为一个重前主要是采用单点定位(纯几何解)或伪距动态定要的研究课题。轨的方式，也可以辅以载波相位对伪距测量进行平本文概要地介绍了笔者的博士后研究课题“航滑。这些方法对于低轨道航天器，用标准定位

4、服务天器高精度GPS导航定位技术研究”的核心内容(standardpositioningservice，简称SPS，只能用和主要成果。详细的理论模型推导、数值仿真分析CA码，目前已取消选择可用性SA)通常可以达和半物理仿真实验将分别作为专题内容另文发表。到三维均方根误差20m以内的定位精度。更高精2指数加权广义Kalman滤波动态定度的绝对定位需求则需要利用载波相位测量并进行轨模型全球差分跟踪，例如美国和法国合作的海洋表面测绘飞行器TOPEX/Poseidon使用了十几个遍布世界2.1指数加权广义Kalman沁波各地的地面站，定位精度达到了10em以内川。卫星轨道运动方程是非线

5、性运动方程，因此采GPS的载波相位(carrierbeatphase)测量技用广义Kalman滤波。Kalman滤波一般可分为离术为航天器高精度导航定位提供了新的解决途径，散型、连续型和混合型几种。混合型Kalman滤波[收稿日期12003一0519;修回A期2003一10一22t作者简介〕向开恒(1972).男。云南姚安县人，博上，中国空间技术研究院总体设计部高级工程师万方数据第I期向开恒等:航天器高精度GPS导航定位技术研究的运动方程是连续的，而测量方程是离散的.它适伪距和伪距速率。在每一个采样点，依次扫描接收合处理如下问题:系统的动力学特性可由连续运动机的所有接收通道，当

6、可用的测量信息多于一个通方程描述和预测，采样测量的周期较长。如果将连道时，对各通道的测量信息分别进行循环求解。这续系统离散后处理为离散的Kalman滤波问题，一样，此方法可以适用于每次采样时可见GPS卫星方面会使问题复杂化，另一方面也使滤波精度下数量不等的情况，GPS接收机每个通道的有效测降，混合型的Kalman滤波正好解决了这个问题。量数据都可以用上。另外，即使只有一个通道的测另外，当Kalman滤波系统的动力学模型不准量数据可用，也能继续进行滤波解算;如果测量数确时，长时间不间断的滤波解算将导致滤波发散。据完全中断，则利用动力学模型进行外推给出预测采用指数加权函数是避免滤波

7、发散的一种方法。指值。连续一离散广义Kalman滤波对每次采样的时数加权函数的物理意义是增加最近测量数据的可信间间隔也不要求一致。因此，可以说此方法体现了度，也就类似最小二乘法中增加遗忘因子使旧的数最大程度的灵活性。据逐步失去作用，从而保证新的测量数据不致淹没3载波相位一伪距综合动态定轨在旧数据的深海中。指数加权广义Kalman滤波算法具有若干优3.1合成伪距点:首先，可以避免对连续系统进行离散化处理，为简洁起见，在不致引起误解的情况下，用载可以给出连续的状态估计;其次，克服了动力学模波相位