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1 绪论1

1.1 卫星编队概念1

1.2 卫星编队的特点5

1.3 卫星编队的发展趋势6

1.3.1 加强与扩大卫星编队飞行的应用领域6

1.3.2 加强小卫星编队飞行各组成子系统及相关技术的研究6

1.3.3 编队卫星标准化研究7

1.4 星载GNSS编队飞行的意义7

1.4.1 星载GNSS相对导航的意义8

1.4.2 卫星导航系统发展概述9

1.5 相关研究进展12

2 编队卫星运动学和动力学基础15

2.1 编队飞行所用坐标系统15

2.1.1 地心惯性坐标系16

2.1.2 地心地固坐标系16

2.1.3 相对运动参考坐标系17

2.1.4 轨道坐标系17

2.1.5 本体坐标系17

2.2 时间系统18

2.2.1 时间基准18

2.2.2 历法22

2.2.3 时间系统间的转换关系23

2.3 基于动力学的编队飞行分析26

2.3.1 编队飞行动力学方程27

2.3.2 编队飞行动力学相对运动方程的解析解30

2.3.3 编队飞行相对运动特性31

2.4 基于运动学的编队飞行分析35

2.4.1 编队飞行运动学方程35

2.4.2 编队飞行运动学相对运动方程的解析解36

2.4.3 动力学与运动学方法比较38

2.5 编队卫星的受摄运动分析39

2.5.1 近地轨道的受摄运动40

2.5.2 J2摄动作用下编队构型的表达44

2.5.3 大气摄动作用下编队构型的稳定性49

3 GNSS相对导航定位原理53

3.1 观测方程53

3.1.1 GNSS测量的基本观测量53

3.1.2 测码伪距测量54

3.1.3 测相伪距测量56

3.2 精密相对导航定位数学模型60

3.2.1 有几何观测模型60

3.2.2 无几何观测模型62

3.2.3 时间平均模型63

3.2.4 有几何模型和无几何模型的比较64

3.2.5 随机模型64

3.3 误差分析66

3.3.1 卫星轨道误差66

3.3.2 卫星钟差误差67

3.3.3 卫星天线相位中心改正68

3.3.4 电离层延迟68

3.3.5 对流层延迟70

3.3.6 接收机天线相位中心改正70

3.3.7 相对论效应71

3.3.8 多路径效应72

4 卫星编队状态估计与分析73

4.1 常规卡尔曼滤波算法73

4.1.1 线性系统卡尔曼滤波73

4.1.2 自适应卡尔曼滤波77

4.1.3 扩展卡尔曼滤波80

4.2 UKF滤波80

4.2.1 UT变换81

4.2.2 UKF滤波算法82

4.2.3 自适应UKF滤波83

4.3 粒子滤波理论84

4.3.1 贝叶斯滤波85

4.3.2 粒子滤波算法实现86

5 卫星编队仿真设计94

5.1 GNSS仿真功能95

5.2 数据仿真96

5.2.1 导航星座仿真97

5.2.2 卫星钟差与接收机钟差仿真102

5.2.3 星上设备时延差TGD仿真104

5.2.4 电离层延迟仿真模型105

5.2.5 对流层延迟仿真108

5.2.6 接收机观测噪声与多路径效应仿真模型112

5.2.7 地球自转改正113

5.2.8 相对论效应改正113

5.2.9 用户轨迹仿真模型113

5.2.10 RNSS观测数据仿真模型113

5.3 观测数据仿真应用及验证114

5.3.1 静态数据验证119

5.3.2 动态数据验证120

5.4 卫星编队飞行可视化三维仿真设计120

5.4.1 动力学仿真模块122

5.4.2 无摄条件下三维场景仿真124

5.4.3 有摄相对运动动力学仿真130

5.4.4 数据存储与查询模块136

5.5 基于编队卫星GNSS可见性的研究139

5.5.1 GNSS服务空域139

5.5.2 卫星仰角大于零时高空载体可见性分析140

5.5.3 卫星仰角小于零时高空载体可见性分析141

5.5.4 仿真结果与分析142

6 GNSS观测值数据预处理144

6.1 GNSS观测数据质量分析144

6.1.1 多项式拟合与观测数据相减144

6.1.2 同一频率不同类型观测量相减146

6.1.3 卫星载噪比分析147

6.2 常用周跳探测与修复方法148

6.2.1 伪距相位组合法149

6.2.2 多项式拟合法149

6.2.3 电离层残差法151

6.3 基于多频观测数据线性组合153

6.3.1 研究多频数据组合的原因153

6.3.2 组合观测值的定义153

6.3.3 组合观测值性质分析155

6.4 消除电离层二阶项影响的组合特性156

6.5 BDS探测周跳的组合158

6.5.1 失锁时间较短的周跳探测和修复159

6.5.2 失锁时间较长的周跳探测和修复160

7 星载GNSS卫星编队绝对定位161

7.1 利用多频载波相位组合进行单点定位161

7.1.1 码相组合确定整周模糊度161

7.1.2 多频载波单点定位基本模型162

7.1.3 不同载波相位组合单点定位结果及比较163

7.1.4 多频载波相位组合单点定位比较164

7.2 多频码相位单点定位中渐消因子扩展卡尔曼滤波166

7.3 多频码相组合单点定位中基于残差信息的改进抗差滤波171

7.3.1 M估计在单点定位中的应用171

7.3.2 预测残差抗差Kalman滤波173

8 星载GNSS卫星编队相对导航定位177

8.1 整周模糊度的浮点解181

8.1.1 动态方程中的病态性问题182

8.1.2 浮点解的先验方差185

8.2 整周模糊度搜索解法192

8.2.1 整周模糊度的搜索空间192

8.2.2 整周模糊度的降相关处理195

8.2.3 模糊度搜索197

8.3 整周模糊度的其他解法198

8.3.1 模糊度函数法（AMF）198

8.3.2 双频P码伪距法199

8.3.3 多频模糊度解法200

8.4 整周模糊度的确定准则205

8.4.1 Ratio检验205

8.4.2 重复性检验205

8.4.3 相位残差多项式拟合检验205

8.4.4 Ratio变率检验法206

参考文献208