基于gnss的高轨卫星定姿技术研究.pdf

中图分类号: 论文编号:1028703 13-S084
学科分类号:081105



硕士学位论文


基于GNSS的高轨卫星
定姿技术研究



硕士生姓名王顺亮
学科、专业导航、制导与控制
研究方向卫星导航与航天器自主导航
指导教师范胜林副教授



南京航空航天大学
研究生院自动化学院
二О一三年一月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Automation Engineering


Research on GNSS-Based Attitude
Determination of High Earth Orbit Satellites



A Thesis in

Navigation, Guidance and Control

by

Wang Shunliang

Advised by

Associate Prof. Fan Shenglin

Submitted in Partial Fulfillment

of the Requirements

for the Degree of

Master of Engineering




January, 2013
承诺书

本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进
行的研究工作及所取得的研究成果。除了文中特别加以标注和
致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究
成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学
位或证书而使用过的材料。
本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部
分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他
复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用于本承诺书)




作者签名:
日期:
南京航空航天大学硕士学位论文
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。
关键词:多星座组合系统,高轨