星载加速度计增强北斗自主定轨性能

卫星自主定轨是提高全球卫星导航系统(GNSS)可靠性、稳健性、完整性和生存能力的重要保证。新一代的北斗卫星已可以进行星间链路测距,从而达到提高卫星全球跟踪能力以及实现整个卫星导航系统的自主定轨。然而由于卫星运行会受到多种摄动力的影响,如果不能对这些摄动力进行精密的改正,在没有地面或其他天体提供绝对约束的条件下,导航系统会随着自主定轨时间的延长出现星座整体旋转。卫星所受摄动力分为保守力和非保守力两部分:对于保守力,如地球非球形摄动、潮汐摄动、太阳月球和其他三体引力,现在已有的力学模型可以很精确地进行改正;而非保守力(如太阳光压摄动),则难以用精确的模型进行改正,因此成为影响卫星定轨精度的主要因素。星载加速度计可以高精度地测量非保守力,并已成功应用于重力卫星(CHAMP、GRACE、GOCE)的重力场反演与大气研究中。本文研究主要探讨采用星上加速度计提高北斗卫星自主定轨精度和延长自主定轨时长的可行性。利用模拟的卫星轨道和星间链路数据,以及现有的星载加速度计误差模型,对北斗卫星系统分别使用星间链路数据和星间链路与加速度计组合数据,进行自主定轨与精度评定。计算结果表明,使用星间链路与星载加速度计数据进行自主定轨,较单纯使用星间链路数据精度具有明显改进。在模拟的星间测距观测数据具有0.33m随机噪声以及分米级系统误差,自主定轨两个月的情况下,联合使用加速度计数据的自主定轨IGSO和MEO卫星精度为分米级,而仅使用星间链路数据的定轨精度约为3~6m,比使用加速度计精度低一个量级。     

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。     

无准确初轨信息时星载GPS低轨卫星定轨方法研究

本文提出了适用于星载GPS低轨卫星定轨的一种精密自主定轨方法。该方法利用星载GPS观测资料直接解算GPS方程求得卫星初轨,避免了早期使用短弧资料定初轨时法方程的病态性的影响,为精密定轨提供了较准确的近似值,并以此展开观测方程进行精密定轨,保证了迭代过程的收敛,减少了迭代次数,节约了时间,适用于低轨卫星的自主定轨和实时定轨。     

一种适用于星载GPS自主定轨的地球引力近似计算改进方法

提出了一种适用于星载GPS自主定轨的改进的地球引力近似函数方法（improved gravity acceleration approximation function,IGAAF）。对IGAAF方法的性能进行评估,结果表明:IGAAF方法的计算耗时小于45×45阶球谐模型;拟合系数容量仅为200~320 kB;引力加速度的截断误差（3D RMS）处于1×102~1×103 nm/s2量级,小于每颗低轨卫星自主定轨所需的最优阶次球谐模型（GOCE:105×105,CHAMP:85×85,GRACE-A:65×65,ZY3/TerraSAR-X:55×55）;将IGAAF方法应用于星载GPS自主定轨试验,相比于球谐模型,不会降低自主定轨精度。IGAAF方法在保证定轨精度的同时兼顾计算效率与系数容量的平衡,在星载GPS自主定轨的工程化应用中具有较强的实用价值。     

基于SLR的GRACE卫星定轨中大气密度模型对轨道精度的影响

以GRACE卫星为例,分析比较利用SLR观测资料进行卫星定轨时,采用不同大气密度模型对GRACE卫星定轨精度的影响;将定轨结果与采用GPS的定轨结果进行比较,分析与GPS定轨结果的差异。实验证明,大气密度模型的选择对定轨结果的影响很明显,同时,比较了基于SLR的定轨结果与采用GPS的定轨结果,发现大气密度模型采用DTM的情况与采用GPS的轨道差异最小,差异的量级为米级。     

中低轨卫星定轨精度分析

针对轨道高度为１ ０００ ｋｍ 左右的近圆轨道卫星进行动力学定轨分析。通过对大气模型、地球重力场模型、系统误差、测轨站站址误差等对定轨的影响进行分析, 分析了影响中等轨道的主要误差源。该卫星轨道确定精度为外推三圈优于２００ ｍ 。     

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.     

卡尔曼滤波在低轨卫星精密定轨中的应用

星上计算机的处理能力不断提高,地基控制系统资源日益紧张,这些都对卫星自主定轨提出了迫切的要求,利用卡尔曼滤波进行卫星自主定轨将具有十分广阔的应用前景。但由于低轨卫星受摄动力较大,使得其动力学方程十分复杂,本文对如何建立适当的模型进行了分析。标准卡尔曼滤波只有在满足一定约束条件时,才能得到最优解。但利用星载GPS进行卫星定轨时,这些约束条件并不能得到完全的满足,针对这些问题本文讨论了相关噪声和滤波发散,观测值粗差等问题。     

基于全球导航卫星系统的高轨卫星定轨理论研究及仿真实现

由于地基定轨系统的局限性,提出基于全球导航卫星系统(GNSS)的高轨卫星定轨方法,并设计实现了高轨卫星天基定轨仿真软件。结合高轨卫星天基定轨的特点和GNSS的建设现状,研究卫星可见性算法和星间观测模型,综合轨道积分和Kalman滤波方法的优点,提出确定高轨卫星轨道的积分滤波方法。仿真结果表明基于GNSS完成天基定轨增加了卫星的观测量,提高了定轨精度。最后在理论研究的基础上,自主开发了集STK、Matlab和Visual C++为一体的高轨卫星天基定轨仿真平台。为北斗系统应用于高轨卫星天基定轨提供了理论上的参考依据和模拟工具。     

GPS天线相位中心校正对低轨卫星精密定轨的影响研究

执行各种低轨卫星任务的官方在公布定轨结果的同时并没有公布星载接收机的天线相位中心校正(PCV)信息,而PCV误差是星载GNSS精密定轨必须考虑的主要误差源之一。以GRACE卫星任务为例研究PCV误差对低轨卫星精密定轨的影响,利用GPS观测数据直接估计与相位误差有关的天线相位偏差(PCO)和PCV参数,然后利用K波段测距系统和卫星激光测距仪数据进行定轨评定。