Precise relative navigation is a critical enabler for distributed satellites to achieve new mission objectives impossible for a monolithic spacecraft. Carrier phase differential GPS (CDGPS) with integer ambiguity resolution (IAR) is a promising means of achieving cm-level accuracy for high-precision Rendezvous, Proximity-Operations and Docking (RPOD), In-Space Servicing, Assembly and Manufacturing (ISAM) as well as satellite formation flying and swarming. However, IAR is sensitive to received GPS signal noise, especially under severe multi-path or high thermal noise. This paper proposes a sensor-fusion approach to achieve IAR under such conditions in two coupling stages. A loose coupling stage fuses through an Extended Kalman Filter the CDGPS measurements with on-board sensor measurements such as range from cross-links, and vision-based bearing angles. A second tight-coupling stage augments the cost function of the integer weighted least-squares minimization with a soft constraint function using noise-weighted observed-minus-computed residuals from these external sensor measurements. Integer acceptance tests are empirically modified to reflect added constraints. Partial IAR is applied to graduate integer fixing. These proposed techniques are packaged into flight-capable software, with ground truths simulated by the Stanford Space Rendezvous Laboratory's S3 library using state-of-the-art force modelling with relevant sources of errors, and validated in two scenarios: (1) a high multi-path scenario involving rendezvous and docking in low Earth orbit, and (2) a high thermal noise scenario relying only on GPS side-lobe signals during proximity operations in geostationary orbit. This study demonstrates successful IAR in both cases, using the proposed sensor-fusion approach, thus demonstrating potential for high-precision state estimation under adverse signal-to-noise conditions.


翻译:精确相对导航是实现分布式卫星完成单体航天器无法实现的新任务目标的关键技术。载波相位差分GPS(CDGPS)结合整周模糊度解算(IAR)是实现厘米级精度的有效手段,可应用于高精度交会、近距操作与对接(RPOD)、在轨服务、组装与制造(ISAM)以及卫星编队飞行与集群。然而,IAR对接收到的GPS信号噪声敏感,尤其在严重多径或高热噪声条件下。本文提出一种传感器融合方法,通过两个耦合阶段实现此类条件下的IAR:松耦合阶段通过扩展卡尔曼滤波器融合CDGPS测量值与星载传感器测量值(如星间链路测距和基于视觉的方位角);紧耦合阶段则利用来自外部传感器测量的噪声加权观测残差,通过软约束函数增强整数加权最小二乘最小化的代价函数。经验性地修改整数验收测试以反映新增约束,并采用部分IAR实现逐步整数固定。所提技术被封装为具备飞行能力的软件,利用斯坦福空间交会实验室的S3库基于最先进力建模及相关误差源模拟真实场景,在两个场景中验证:(1)低地球轨道交会对接的高多径场景,(2)仅依赖地球静止轨道近距操作中GPS旁瓣信号的高热噪声场景。研究表明,在两种情况下采用所提传感器融合方法均成功实现IAR,从而展示了在恶劣信噪比条件下实现高精度状态估计的潜力。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
人工智能重塑威慑:算法优势的兴起
专知会员服务
2+阅读 · 58分钟前
AgentOps综述:智能体系统运维框架
专知会员服务
14+阅读 · 6月4日
《美陆军最新条令:兵力防护》
专知会员服务
9+阅读 · 6月4日
《人工智能的挑战:算法战的想象与现实》
专知会员服务
11+阅读 · 6月4日
首场人工智能战争:Maven如何重塑武装冲突
专知会员服务
7+阅读 · 6月4日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员