编队飞行相对位置姿态测量算法及实验.pdf

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1、国防科技大学学报第25卷第2期JOURNALOFNATIONALUNIVERSITYOFDEFENSETECHNOLOGYVoI.25No.22003文章编号：1001-248（62003）02-0019-06!编队飞行相对位置姿态测量算法及实验郑庆晖1，张育林2（1.国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073；2.装备指挥技术学院，北京101416）摘要：阐述了利用GPS实现编队飞行相对位置、姿态确定的基本原理。建立了相应的数学模型，比较分析几种不同的方案，并对相对位置、姿态确定中各种误差源及其影响进行分析。建立了一个实验系

2、统，对算法进行验证，提出编队飞行的理论分析，算法研究，系统实现的几个研究思路。关键词：编队飞行；相对定位；姿态确定；GPS中图分类号：V443.5文献标识码：AResearchonFormationFlyingRelativePositioningandAttitudeDetermination：AlgorithmandExperimentZHENGOing-hui1，ZHANGYu-Iin2（1.CoIIegeofAerospaceandMateriaIEngineering，NationaIUniv.ofDefenseTechnoI

3、ogy，Changsha410073，China；2.CoIIegeofArmingandCommandingTechnoIogy，Beijing101416，China）Abstract：ThetheoryofreIativepositioningandattitudedeterminationusingGPSwasexpoundedindetaiI，thenthemodeIofposi-tioningandattitudedeterminationwasconstructed.ThemodeIerrorswasdiscussedin

4、detaiI.AnexperimenaIsystemwasestabIishedtovaIidatetheaIgorithms.FinaIIyseveraIaspectofresearchingformationfIyingwasputforward.Keywords：formationfIying；reIativepositioning；attitudedetermination；GPS航天器编队飞行是通信遥感等应用领域的一个重要发展方向，编队飞行中各航天器保持一定的状态，包括航天器完成特定任务所需的对地或空间观测目标的指向，实现各航

5、天器通信或协同观测，彼此之间的姿态、位置至关重要。低轨卫星编队实现自主相对位置姿态测量，GPS系统是可资利用的资源。在星上配置一定数量的接收机及天线，通过接收GPS信号，包括伪码信号和载波信号来确定编队卫星的相对姿态、位置。国内外学者对此作了理论分析［1，2］，近年来Stanford大学对此作了相关的实验研究［3］。1相对位置确定数学模型相对位置测量任务是确定两颗卫星在空间坐标系中的相对位置关系，差分GPS可以实现高精度的相对定位，在WGS-84坐标系中解得两颗卫星的相对位置向量，同时可以确定参考卫星位置，这样就可以将相对位置向量转换到

6、参考卫星轨道坐标系。GPS接收机有直接的定位结果、伪距、载波、多普勒频移等观测量。因此，相对位置确定可以由相对位置差分、相对伪距差分和相对载波相位差分等几种方案。1.1相对位置差分相对位置差分实际上就是由下式的伪距观测方程线性化求解得单点位置，然后对不同卫星作差即可确定相对位置。j（x-xj）2+（y-yj）2+（z-zj）2+"ct-"ctj+"c!jj（1）!i="iiiikn+"c!kp式中j是接收机i测得的第j颗GPS卫星的伪距，（x）T是接收机i在WGS-84的位置坐标，!iiyizi!收稿日期：2002-11-18基金项目：

7、国家863高技术项目资助（863-02）作者简介：郑庆晖（1973—），男，博士生。（xyz）T是GPS卫星的WGS-84坐标，，分别是接收机、发射机的钟差，c是光速，，ikIkp分别是电离层、对流层延迟，对于轨道应用，这两项不存在。!."相对伪距差分由于编队卫星相距较近，两个接收机天线之间的基线较短，因此认为它们到GPS卫星的视线向量即方向余弦是平行的。于是环绕星与参考星的双差伪距观测方程可以表示如下：k=!T"+（2）Ol式中k是双差伪距观测量，!是参考星到GPS卫星的单差视线向量，"是参考星与环绕星的相对位置Ol向量。观测多颗卫星

8、后联立求解伪距差分观测方程可以得到两星的相对位置。!.#相对载波相位差分与相对伪距差分类似，利用双差载波相位观测有如下的观测方程：k=!T"+N+（3）Ol其中使双差载波相位观测量与双差伪距观测方程不同的是