低轨卫星星载GNSS精密定轨的精度检核方法

基于星载GNSS的低轨卫星精密定轨是目前大地测量领域的研究热点,也是解决我国对地观测卫星精密轨道确定最有效的手段。讨论了目前低轨卫星星载GNSS精密定轨的精度评价方法,并通过对GRACE卫星的实测和仿真数据的处理和分析,讨论了这些方法在不同观测条件下的有效性与局限性。     

Swarm卫星星载GPS精密定轨方法及精度分析

Swarm星座是ESA的首个用于测量来自地球核心、地幔、地壳、海洋、电离层等区域磁场信息的对地观测卫星星座。而高精度的轨道信息正是其有效利用卫星载荷完成上述任务的前提条件。目前国内关于Swarm卫星精密定轨的研究较少,为此建立并推导了Swarm卫星精密定轨的动力学模型、观测模型以及它们之间的数学关系,详细给出了Swarm卫星精密定轨模型与实现过程。针对Swarm卫星精密定轨中姿态数据的处理问题提出了相应的解决方案。利用Swarm卫星星载GPS实测数据,采用约化动力学定轨方法进行Swarm卫星精密定轨实验。通过轨道衔接点位置差异、与外部精密轨道比较以及SLR验证等精度评定方法分析表明:基于星载GPS的Swarm卫星约化动力学定轨各方向的精度都优于3 cm。     

自适应滤波在LEO星载GPS实时定轨中的应用

针对低轨卫星LEO星载GPS实时定轨中存在的问题,提出了以单点定位结果为观测值,采用自适应卡尔曼滤波(AKF)方法进行动力平滑来实现LEO星载GPS实时动力法定轨.采用2004-03-29～31日的GRACE-A卫星实测数据进行了实时定轨计算,并分析了自适应因子、噪声补偿方差、GPS信号中断对自适应定轨的影响.通过计算分析发现,采用AKF进行LEO星载GPS实时定轨可有效解决采用EKF噪声补偿方差难以确定的难题.同时还发现,采用AKF进行LEO星载GPS实时定轨具有较强的稳定性.     

自适应滤波在LEO星载GPS实时定轨中的应用

针对低轨卫星LEO星载GPS实时定轨中存在的问题,提出了以单点定位结果为观测值,采用自适应卡尔曼滤波(AKF)方法进行动力平滑来实现LEO星载GPS实时动力法定轨。采用2004-03-29~31日的GRACE-A卫星实测数据进行了实时定轨计算,并分析了自适应因子、噪声补偿方差、GPS信号中断对自适应定轨的影响。通过计算分析发现,采用AKF进行LEO星载GPS实时定轨可有效解决采用EKF噪声补偿方差难以确定的难题。同时还发现,采用AKF进行LEO星载GPS实时定轨具有较强的稳定性。     

重力卫星星载GPS简化动力学精密定轨

利用GRACE和SWARM重力卫星星载GPS观测数据,基于简化动力学方法进行精密定轨,通过相位观测值残差分析、重叠轨道对比和科学轨道对比进行轨道精度检核。GRACE和SWARM卫星相位观测值残差RMS值稳定在6 mm左右,重叠轨道对比差值RMS在径向、切向和法向均优于1.24 cm;通过与GFZ和ESA提供的GRACE卫星与SWARM卫星精密轨道对比,GRACE卫星简化动力学轨道在R,T,N方向的轨道精度分别达到1.3 cm、2.1 cm和1.3 cm;SWARM卫星简化动力学轨道在径向、切向和法向的轨道精度分别达到0.8 cm、1.3 cm和1.6 cm。实验表明,基于简化动力学方法,GRACE和SWARM卫星定轨精度均到达厘米级。     

星载GPS定轨方法的研究进展

重点论述了低轨卫星定轨的主要方法和特点,指出了3种方法的优点和不足,以及相应的数据处理策略,同时着重介绍了低轨卫星定轨的数据预处理方法、相关研究进展和解算精度。     

星载GPS低轨卫星定轨理论及方法研究

论文研究了星载GPS低轨卫星定轨技术的基本理论和方法,研制了星载GPS低轨卫星约化动力法定轨软件,针对约化动力法和推广卡尔曼滤波存在的问题,开展了星载GPS低轨卫星自适应事后和实时定轨研究,论文最后对星载GPS编队卫星相对定位技术进行了研究。主要工作及创新点概括如下：     

附加Helmert变换参数的低轨卫星约化动力学精密定轨

在运动学精密定轨以及动力学轨道积分的基础上,提出基于Helmert变换的约化动力学精密定轨模型.该模型对动力积分轨道以及运动学轨道建立Helmert变换,进而修正轨道积分中的卫星初始轨道以及各种动力学参数.应用该模型,文章采用的约化动力学精密定轨包含两个部分:运动学精密定轨以及基于Helmert变换的动力学轨道平滑.对CHAMP、GRACE两个星期的观测数据进行计算,结果显示:在引入Helmert变换平移参数的参数设置下,相对于运动学轨道,约化动力学轨道的精度平均提高了约30%;对于CHAMP卫星,约化动力学轨道与参考轨道差值在XYZ 3个方向RMS的平均值分别为(0.14,0.14,0.16) m,差值3D RMS的平均值为0.26 m;对于GRACE-A卫星,约化动力学轨道与参考轨道差值在XYZ 3个方向RMS的平均值分别为(0.17,0.15,0.13) m,差值3D RMS的平均值为0.26 m.文中还详细讨论和分析了模型中不同参数设置下轨道精度的情况.     

平方根滤波/平滑/双向滤波在LEO星载GPS定轨中的应用

讨论了平方根滤波、卡尔曼平滑和双向滤波对卡尔曼滤波的改进,采用平方根滤波/平滑/双向滤波3种算法计算了两颗GRACE卫星轨道。采用GRACE(gravity recovery and climate experiment)卫星的星载GPS观测数据进行了定轨计算,并用JPL提供的GRACE卫星轨道及KBR(K-band ranging system)观测数据进行了外部检验。     

JASON-3卫星星载GPS厘米级精密定轨

针对JASON-3卫星精密定轨方法和轨道精度检核的关键问题,该文利用4d的星载GPS观测数据,基于简化动力学定轨方法实现JASON-3精密定轨,并提出采用内部符合和外部符合两种方法对解算轨道进行检核。通过重叠轨道对比,径向、切向和法向轨道精度均在0.5cm左右;将解算的简化动力学轨道与DORIS国际服务组织(IDS)的多任务精密卫星测高、卫星定轨和定位地面部分提供的SSA精密轨道进行对比,4d的轨道精度在径向、切向和法向分别达1.57～2.18cm、2.22～3.55cm和2.60～2.89cm。实验结果表明,JASON-3测高卫星的简化动力学轨道精度达厘米级,满足该卫星对轨道精度的要求。     

GRACE卫星非差精密定轨精度分析

随着星载GPS接收机性能和精密轨道、钟差产品精度的提高,星载GPS观测技术已成为确定CHAMP、GRACE和GOCE等低轨卫星精密轨道的重要手段。文章以GRACE卫星为例,分别利用非差弱动力法和非差运动学方法精密确定其轨道,并将结果和美国喷气动力实验室(JPL)事后精密轨道对比。结果表明:GRACE卫星非差弱动力法和非差运动学定轨精度均可达到厘米级;在使用相同的星历、钟差等产品时,弱动力法定轨精度略微优于运动学方法。此外,本文采用超快预报精密星历实时确定GRACE卫星轨道时精度也优于10cm。     

LEO星载GPS双向滤波定轨研究

介绍了目前常用的LEO(low Earth orbiter)星载GPS定轨方法,分析了LEO星载GPS双向滤波定轨方法与其他几种主要定轨方法的区别。从卫星运动方程和星载GPS非差定轨观测方程出发,给出了LEO星载GPS双向滤波定轨方法的原理,采用自行研制的定轨软件对两颗GRACE(gravity recovery and climate ex-periment)卫星进行了定轨试验,通过与JPL(Jet Propulsion Laboratory)轨道的对比及KBR(-kband rangingsystem)观测数据的外部检核发现:①双向滤波定轨技术不仅能显著提高单向滤波开始阶段的定轨精度,而且可以从整体上提高卫星的定轨精度;②LEO星载GPS双向滤波定轨方法切实可行,相应的星载GPS定轨软件对GRACE卫星定轨精度在径向、沿轨方向和法向优于5 cm。     

基于星载GPS双频P码的低轨卫星综合定轨方法研究

由于重力场精化、大气探测、海洋测高等科学研究的需要,低轨卫星得到了迅速发展。精密轨道确定是低轨卫星科学任务顺利完成的前提。本文系统分析了基于星载GPS接收机双频P码非差观测值的低轨卫星定轨方法的原理及数学模型,并用CHAMP卫星的实测观测值对各种定轨方法进行了验算,以分析研究各种不同定轨方法的定轨精度。结果表明简化的动力学定轨精度较高,定轨精度在2dm左右;动力学定轨结果最差,在几m左右;而几何法及简化几何法定轨精度相当,约1m左右,定轨精度介于动力学及简化动力学定轨精度之间。     

风云三号C卫星星载GPS/BDS实时定轨分析

随着北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的建设与运行,低轨卫星开始搭载GPS/BDS双系统接收机以实现卫星轨道确定.利用风云三号C(FengYun-3C,FY3C)卫星星载GPS/BDS双频伪距与载波相位观测数据,设置4种仿真试验方案,分别进行星载GPS/BD...     

LEO星载GPS PPP定位周期误差分析及处理策略

采用GRACE卫星的星载GPS观测数据进行动态精密单点定位解算,发现定位误差存在明显的周期特性,第一个特性为每间隔四天的定位误差序列的波形基本重合,第二个特性为相邻两天定位误差序列有横坐标平移的趋势.基于此,提出了两种消除周期性误差的方法,分别为基于中位数建模的周期项误差剔除方法和基于平移预报的周期项误差剔除方法.前者对一组数据序列中的中间序列的精度提升较为明显,后者对精度的提升在整体上较为稳定,对两种方法的改善效果进行综合分析,最终可以将定位精度从5 dm提高到2 dm,三个方向的均方根（RMS）值得到显著降低.      

Jason-2卫星星载GPS数据cm级精密定轨

Jason-2卫星为测高卫星,需要cm级的轨道精度。利用Jason-2星载GPS数据,采用简化动力学法进行了Jason-2卫星精密定轨。对简化动力学轨道进行重叠轨道对比,径向精度达到1.19cm;与CLASS提供的POE结果对比,径向精度达到5.54cm;与SLR数据进行对比,整体精度达到6.63cm。因此,简化动力学轨道达到了cm级要求,定轨精度良好。     

CHAMP卫星cm级精密定轨

在卫星定位导航数据综合处理软件(PANDA软件)的基础上,解算了2002年年积日126~131 dCHAMP卫星的精密轨道,并通过与GFZ精密轨道的比较、GPS观测值的验后残差和SLR观测值检验等3种方式进行了轨道精度的评估。结果显示,本文的轨道精度在径向为4~5 cm,切向和法向为6~8 cm。     

一种新的综合Kalman滤波及其在星载GPS低轨卫星定轨中的应用

针对将Kalman滤波方法应用到星载GPS定轨时,由于动态噪声和观测噪声确定不准而造成滤波的发散、污染观测值造成Kalman滤波估值的扭曲及计算舍入误差可能带来协方差阵的不正定性等缺陷,提出了一种新的综合Kalman滤波方法。该方法用拟准检定法准确地探测和修正量测方程中存在的粗差;用UD分解算法克服了数值的不稳定性,改进了计算精度;用Sage自适应滤波器克服滤波器的发散。算例结果表明,这种综合卡尔曼滤波方法具有数值稳定性好、较强的自适应性和较好地削弱粗差影响等优点。     

加权平均用于星载GPS几何轨道的动力学平滑

利用星载GPS对低轨卫星进行精密定轨已逐步成为一种主要手段.在简要介绍几种定轨方法的基础上,从星载GPS数据预处理出发,提出了将加权平均用于星载GPS低轨卫星几何轨道的动力学平滑方法,并利用实测数据进行了验证.结果表明,该方法实现过程简单,且能有效提高定轨精度.     

低轨卫星精密定轨的轨道精度评估方法研究

厘米级精密卫星轨道是完成低轨卫星承担的科研、商业等任务的必须前提,其中事后轨道精度评定是低轨卫星精密定轨任务中重要一环。依据观测条件和卫星搭载设备等情况,选择合适的精度评定方法有利于客观准确的评估定轨结果。本文以GRACE卫星为例,讨论了内外精度评估方法,得到有益结论,为我国开展后续国产卫星精密定轨任务具有借鉴意义。