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基于GNSS的高轨卫星定姿技术研究

作　者: 王顺亮
导　师: 范胜林
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 多星座组合系统高轨卫星可见性多频载波整周模糊度 TCAR 成功概率周跳姿态测量 QUEST 预测滤波
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高轨卫星在国防和民用领域发挥着越来越重要的作用，目前主要通过陀螺仪、星敏感器等姿态敏感器对卫星姿态进行测定。但是由于这些敏感器存在着易损、易受干扰等缺陷，因此在GNSS系统日益成熟的前提下，研究利用星载GNSS接收机实现高轨卫星姿态确定，已经成为了一个新的方向。本文主要对在高轨卫星背景下，载波相位观测量的初始单差整周模糊度的解算方法，周跳的探测和检验方法以及姿态确定算法方面进行了研究。首先介绍了GNSS系统和星载GNSS导航技术的发展概况，并且仿真验证了高轨卫星的星载GNSS的可见性。给出GNSS系统测姿的观测模型，总结了多频相位组合的原理，分析了组合过程中的误差传播规律，为后续的研究工作奠定基础。研究了星载GNSS接收机求解初始单差整周模糊度的方法。针对TCAR算法的宽巷组合系数的选择问题，按照成功概率建立了性能指标，选择出最优的组合系数。由于GNSS系统存在着可见星数目低于3的历元，使得TCAR算法无法验证解算值的正确性。本文结合递推加权最小二乘算法，提出了一个改进的TCAR算法，解决了这一难题；在可见星数目不低于3时，依照概率特性，对改进的TCAR算法添加了一个搜索空间，通过利用基线约束，搜索算法能够更加快速地确定初始单差模糊度，最终实现了星载GNSS接收机在各种可见星环境下的初始单差模糊度解算。研究了基于多频数据的周跳探测和修复方法。对传统的双频MW算法进行了三频的拓展和改进，分别分析了在三大系统中周跳探测检验量和检验阈值的选择问题。通过构建三个组合系数线性无关的检验量，可探测在GNSS系统中三个组合载波上发生的所有周跳情况，然后还原到三个基本载波上的周跳数值，实现周跳的修复。研究了GNSS姿态解算的确定性算法和估计算法。在可见星不低于3颗时，研究了QUEST算法在单系统、双系统和多系统情况下，单频与多频解算卫星姿态的精度，并进行了分析和比较。针对可见星低于3颗时，确定性算法和普通滤波算法无法求解姿态，本文研究了预测滤波算法在单系统、双系统和多系统情况下的姿态求解精度，并与QUEST算法进行了对比。然后将两种算法进行融合，提高了姿态解算的快速性和准确性。最后，建立了多星座组合系统的高轨卫星姿态解算仿真平台，仿真了一段姿态运动轨迹，验证了上述各个环节研究的正确性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-15
第一章绪论  15-21
  1.1 研究背景与意义  15-16
  1.2 全球卫星导航系统发展概况  16-18
    1.2.1 GPS的发展概况  16-17
    1.2.2 北斗卫星导航系统的发展概况  17-18
    1.2.3 Galileo卫星导航系统的发展概况  18
  1.3 星载GNSS的卫星姿态确定技术的发展概况  18-20
  1.4 本文研究的主要内容及篇章结构  20-21
第二章星载GNSS定姿系统观测模型的建立  21-35
  2.1 引言  21
  2.2 星载GNSS接收机的观测量分析  21-24
    2.2.1 GNSS的坐标和时间基准  21-22
    2.2.2 星载GNSS在高轨卫星条件下的可见性分析  22-24
    2.2.3 星载GNSS接收机的基本观测量和观测误差  24
  2.3 星载GNSS系统的观测模型建立  24-28
    2.3.1 测码伪距基本观测方程  24-25
    2.3.2 测码伪距的差分观测方程  25-26
    2.3.3 载波相位基本观测方程  26
    2.3.4 载波相位的差分观测方程  26-28
  2.4 GNSS测姿系统观测模型建立  28-29
    2.4.1 GNSS的基本测姿原理  28
    2.4.2 测姿单差观测模型的建立  28-29
  2.5 GNSS多频组合载波相位观测分析  29-34
    2.5.1 GNSS导航系统信号分析  29-30
    2.5.2 组合载波相位观测模型的构建  30-31
    2.5.3 多频组合误差传递分析  31-32
    2.5.4 多频载波相位组合系数选取分析  32-34
  2.6 本章小结  34-35
第三章星载GNSS三频载波相位整周模糊度解算  35-58
  3.1 引言  35
  3.2 TCAR算法分析  35-36
  3.3 TCAR算法宽巷载波组合系数选择和成功率仿真分析  36-43
    3.3.1 现代化后的GPS系统宽巷组合系数选择仿真  38-39
    3.3.2 北斗二代系统宽巷组合系数选择仿真  39-40
    3.3.3 Galileo系统宽巷组合系数选择仿真  40
    3.3.4 三大GNSS系统TCAR算法最优多频系数组合汇总与比较  40-43
  3.4 综合TCAR算法分析  43-47
    3.4.1 综合TCAR算法步骤分析  44-46
    3.4.2 综合TCAR算法成功率仿真分析  46-47
  3.5 基于递推加权最小二乘的TCAR算法分析  47-52
    3.5.1 递推加权最小二乘算法原理  47-48
    3.5.2 基于递推加权最小二乘的TCAR算法原理  48-50
    3.5.3 基于递推加权最小二乘的TCAR算法仿真分析  50-52
  3.6 基于递推加权最小二乘的TCAR算法的三频模糊度搜索分析  52-57
    3.6.1 改进的TCAR搜索算法原理分析  52-54
    3.6.2 改进的TCAR搜索算法的仿真分析  54-57
  3.7 本章总结  57-58
第四章星载GNSS三频载波周跳的探测与修复  58-76
  4.1 引言  58
  4.2 周跳的特性与周跳检验原理  58-60
    4.2.1 周跳的特性  58-59
    4.2.2 周跳的检验原理  59-60
  4.3 常用的周跳探测算法分析  60-63
    4.3.1 电离层残差法  60-61
    4.3.2 伪距相位组合法  61-62
    4.3.3 宽巷相位减窄巷伪距组合法  62-63
  4.4 多频载波的周跳探测与修复  63-75
    4.4.1 多频载波的周跳探测方法分析  63-67
    4.4.2 多频载波的周跳探测方法仿真验证  67-70
    4.4.3 多频载波的周跳修复方法分析  70-72
    4.4.4 多频载波的周跳修复方法仿真验证  72-75
  4.5 本章小结  75-76
第五章星载GNSS系统高轨卫星姿态算法研究  76-96
  5.1 引言  76
  5.2 GNSS姿态确定系统中坐标系和姿态描述  76-79
    5.2.1 姿态确定系统中常用的坐标系  76
    5.2.2 不同坐标系之间的转换矩阵  76-77
    5.2.3 姿态的描述  77-79
  5.3 多星座组合系统高轨卫星姿态求解的确定性算法研究与仿真  79-84
    5.3.1 GNSS确定性算法分析  79-81
    5.3.2 高轨卫星姿态确定性算法的仿真分析  81-84
  5.4 GNSS高轨卫星估计算法研究与仿真  84-92
    5.4.1 基于预测滤波的GNSS系统姿态估计算法分析  85-87
    5.4.2 高轨卫星姿态预测滤波算法的仿真分析  87-92
    5.4.3 高轨卫星姿态测量算法的融合  92
  5.5 基于多GNSS组合系统的高轨卫星姿态测量系统的仿真验证  92-95
    5.5.1 高轨卫星姿态轨迹仿真  92-93
    5.5.2 多GNSS组合系统高轨卫星姿态测量系统的仿真设计  93-95
  5.6 本章小结  95-96
第六章总结与展望  96-98
  6.1 本文的主要工作  96-97
  6.2 后续工作展望  97-98
参考文献  98-101
致谢  101-102
在学期间的研究成果及发表的学术论文  102

基于GNSS的高轨卫星定姿技术研究

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