GPS相对定位在星间测量中的应用

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1、V01．19NO．194航天器工程SPACECRAFTENGINEERlNG第19卷第1期2010年1月GPS相对定位在星间测量中的应用梁志国巨涛(航天恒星科技有限公司，北京100086)摘要基于GPS载波相位差分技术，提出了星间测量中的GPS相对定位测量方案，分析了其算法模型，并利用两台GPS接收机进行了高动态仿真验证。仿真结果表明，该方案能达到厘米级的相对定位精度。关键词星间测量GPS高动态仿真相对定位中图分类号：V557．1文献标志码：A文章编号：1673—8748(2010)01—0094—05ResearchonAppli

2、cationofGPSRelativePositioninginInter-satelliteMeasurementLIANGZhiguoJUTao(SpaceStarTechnologyCo．，Ltd．，Beijing100086，China)Abstract：AGPSrelativepositioningsystemanditsalgorithm，basedondoubledifferentialcarri—erphasemodelandusedforinter-satellitemeasurement，areintroduce

3、d．TwoGPSreceiversareemployedtoverifytheperformancesoftheproposedsysteminhighdynamicapplications．Itshowsthattherelativepositioningsystemoutputstheresultswithanaccuracyofcentimeterlev-e1．Keywords：inter-satellitemeasurement；GPS；highdynamicsimulation；relativepositioning1引言

4、星间相对测量是小卫星编队飞行、空间交会对接、卫星在轨捕获及深空探测的关键技术之一，传统的星间测量手段，如微波雷达、激光雷达和光学成像系统等，在测量范围及测量精度上都有一定的局限，难以满足星间测量的总体要求。GPS因其全天时、全天候、测量不受信号覆盖范围限制、能提供多种测量信息(包括位置、速度和时间)、测量设备体积小、重量轻等诸多优点，在航天应用中显示了巨大的优越性，成为星间测量的理想手段[1-z]。在空间应用中，利用GPS单点定位，卫星可获得在轨自主定位能力，利用GPS差分技术，可以获得高精度的星间状态信息，完成卫星间的自主轨道控制

5、，能有效提高卫星的自主运行能力和在轨服务水平。尤其是当两卫星距离较近时，由于观测量之间的强相关性，利用GPS载波相位差分技术可以消除大部分的公共误差，从而获得精密的相对测量结果‘3

6、。本文利用GPS载波相位差分技术，提出了星间测量中的GPS相对定位测量方案，分析了载波相位差分的算法模型，并利用GPS仿真器及两台GPS接收机进行高动态仿真验证，获得了厘米级的相对定位精度。收稿日期：2009—04—17；修回日期：2009—09—18作者简介：梁志国(1982一)，男，中国空间技术研究院硕士研究生，主要研究方向为卫星导航技术。第1期梁志

7、国等：GPS相对定位在星间测量中的应用952GPS相对定位测量方案星间测量主要通过GPS差分技术实现，根据工作原理的不同，可以将GPS差分技术分为位置差分、伪距差分、载波相位平滑伪距差分和载波相位差分。这四类差分方式定位精度和作用范围各不相同，可根据星间测量的作用距离及精度要求灵活选取不同的差分方式，其差分的基本结构如图1所示。在星间测量过程中，两卫星分别利用星载GPS接收机接收GPS导航信号进行绝对定位及相对定位解算。Gl，s卫星；一——GPSp星J一——一⋯’图1星间测量示意图Fig．1Sketchdiagramofinter-

8、satellitemeasurementGPS相对定位测量系统的组成如图2所示，GPS天线接收GPS卫星导航信号，并分别进行绝对定位，以获得两卫星的绝对位置和速度，实现卫星在轨自主定位，并利用两卫星间的通信链路将副星上的原始观测信息传送到主星上，利用主副星间的共视星进行相对定位解算，获得两卫星间的相对位置和速度信息，实现高精度相对测量。该方案能同时获得绝对定位及相对定位信息，并能及时将测量结果反馈给星务系统，实现卫星的自主导航与控制。{曙‘斟1rlT蠢二晕i鬯型卜⋯⋯一Ij；lI=：：“’?j掣疋咧i巴兰兰兰竺》畦{接u单元一；lo

9、i接u单元P吲罡掣：竺i-⋯⋯⋯⋯⋯型⋯jl⋯兰===-=羔⋯⋯⋯⋯⋯一．图2GPS相对定位系统框图Fig．2BlockdiagramofGPSrelativepositioningsystem3GPS相对定位算法模型3．1载波相位差