● 摘要
基于星间测距的星座自主导航存在一个基本矛盾，依赖外部支撑的导航精度高，但失去了一部分或者全部自主性，而完全自主的、仅依赖星间测量的星座自主导航精度受制于不可观测误差的累积，精度难以保证。本文的研究目的之一就是利用合理的星间链路建立策略以及新的导航算法来降低误差累积带来的影响，提高基于星间测距的分布式自主导航性能。此外，星载分布式导航算法的地面实现是基于星间测距分布式自主导航的前提，本文的另一研究目的就是在集群系统中实现星载分布式自主导航的地面模拟。围绕上述研究目的，本文主要完成了以下研究工作：（1）针对星座自主导航为一动力学法和几何法相结合的过程，给出了卫星轨道动力学模型；基于星间双向单程时延测量，研究了其测量归算过程，推导了定轨和时间同步观测方程，并分析了分布式导航中星载滤波器观测噪声模型；最后基于用户定位精度给出了自主导航精度评估所需参数。（2）星间链路的建立是卫星之间进行测距、通信的前提，是星座自主导航的重要组成部分。对于星间双向链路的建立，提出一种考虑多种复杂实际约束，如地球掩星、卫星天线双向覆盖以及天线的相互指向等判断卫星双向可见性的方法；星座分布式自主导航的实现是通过成员卫星自身的导航来完成的，成员卫星导航所建立链路的几何构型直接影响导航精度，提出采用几何精度因子来分析多条链路特性的方法，定量描述链路几何构型对导航精度的影响；为了提高导航精度，在卫星天线是否存在约束情形下，提出以星间链路拓扑的几何精度因子为目标函数来建立星间最优双向链路的策略，仿真分析表明提出的链路建立策略与传统的固定链路建立策略相比，以较少链路使得卫星观测几何得到明显改善，可为星间链路的建立和评估提供技术支持。（3）星间测距的基础为时延观测，时钟误差对基于星间测距的导航性能有重要影响，为了在自主导航过程中补偿时钟误差所引起的导航误差，需要提出有效的自主时间同步策略。首先通过分析星载原子钟物理模型，建立时钟运动微分方程，利用原子钟噪声特性给出了时钟同步参数，即时钟相位偏差、频率偏差及漂移的估计方法；然后，基于分布式自主时间同步方案，从观测精度、链路拓扑以及卫星失效等方面分析了星座自主时间同步的性能，仿真表明：通过星间测距信息可以有效估计时钟同步参数，观测误差小于10m时，时钟同步估计精度优于1m；采用具有工程实现条件的有限星间链路测距，能够保证一定的同步精度，选取4条星间链路的条件下，时钟同步误差与选取动态链路时的精度属同一量级；此外，分布式星座自主同步方法具有的较强鲁棒性，个别卫星失效对同步精度影响甚小。上述结论可为星上自主时间同步的性能提高提供有益参考。（4）自主定轨是星座自主导航的核心问题之一，为此开展了星座自主导航的定轨算法研究。针对卫星轨道动力学和观测模型的非线性特性，提出新型的非线性分布式轨道估计算法；由于分布式自主定轨为一降阶次优估计，其自主定轨过程存在滤波器对观测过度信任从而导致滤波发散的问题，推导了应用UKF算法时可见星先验轨道误差引入的观测不确定性，仿真表明：基于非线性估计的分布式自主定轨定轨精度较高，收敛速度明显提高，滤波稳定性显著增强，该方案降低了不可观测量对定轨精度的影响，对解决导航星座的长期自主导航问题具有重要意义；针对星座自主定轨对精确性、实时性和计算量的要求，提出了改进的SSUKF（MSSUKF）定轨算法，该算法将动力学噪声方差矩阵在线估计方法应用于SSUKF算法，实现通过起始段观测信息有效调整滤波器动力学模型噪声方差的目的，该方法可延缓自主定轨过程的发散速度，同时具有实现简单、计算效率高的特点，为非线性滤波算法在导航星座卫星自主定轨中的应用提供了一种可行方案。（5）针对星载分布式自主导航算法最终部署于星载计算机的需求，在集群系统中基于MPI实现了星载分布式导航的并行化，并模拟了星载数据获取、通信、处理等过程，为星载分布式导航算法的工程应用提供了技术支撑；基于上述仿真平台，分析了观测精度、星间链路拓扑以及卫星失效等因素对自主导航性能的影响；最后，针对自主导航的星座整体旋转问题，提出以GEO为基准星的导航方案，通过分析不同链路模式下混合星座的自主导航性能，验证了所提方案能够达到预期的目标，所得结论可为后续研究提供定量参考。