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《武汉大学》 2014年
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姿态、光压和函数模型对导航卫星精密定轨影响的研究

郭靖  
【摘要】:自1995年4月27日美国GPS系统正式运行以来,在近20年时间内导航卫星系统蓬勃发展。前苏联及随后的俄罗斯、欧盟、中国、日本以及印度等国家和地区出于自身战略安全和经济利益等需要相继研发各自的全球或区域性卫星导航定位系统——GLONASS、Galileo、北斗、QZSS和IRNSS。多导航卫星系统的发展不仅有助于用户获得更为稳定和可靠的导航和授时服务,而且有助于满足大地测量等高精度领域的需求,但是其前提是提供在统一时空基准下的高精度导航卫星精密轨道和钟差产品。 影响导航卫星定轨精度的因素主要包括几何和动力学两类。多年来,国际和国内学者对GNSS误差改正模型进行了大量而广泛的研究,相应动力学模型也在不断完善和提高,上述研究促使当前GPS和GLONASS卫星定轨精度分别优于2.5cm和3.0cm。但是北斗、Galileo和QZSS卫星的出现为导航卫星精密定轨的理论和方法研究带来了新的挑战和机遇,主要包括:(1)基于三频及以上频率观测值的导航卫星精密定轨;(2)不同类型(GEO、IGSO和MEO)的导航卫星精密定轨;(3)不同姿态控制模式(动态偏置和非动态偏置)下的导航卫星精密定轨;(4)携带有高稳定被动式氢钟的Galileo-IOV卫星的厘米级精密定轨。 本文在多模导航框架下研究姿态、光压、相位中心以及观测模型对导航卫星精密定轨的影响,其中以提高北斗导航卫星在零偏以及偏航姿态转换期间定轨精度为研究重点。总体来说,本文的主要研究工作和贡献如下: (1)总结了现有GPS BLOCK II/IIA、GPS BLOCK IIR, GPS BLOCK IIF、GLONASS-M和QZSS Michibiki卫星偏航姿态模型,并进一步分析了卫星偏航姿态对其精密定轨的影响。基于实测数据以及逆动态精密单点定位算法估计了北斗IGSO和MEO卫星偏航姿态,相应结果验证了北斗IGSO和MEO卫星采用动偏和零偏两种姿态控制模式。通过分析实际估计的北斗IGSO和MEO卫星偏航姿态,并在假设实际姿态与名义姿态差异最小时卫星姿控模式发生转变的条件下,首次得出当轨道角为90。且太阳与轨道面夹角绝对值小于等于4。时北斗IGSO和MEO卫星偏航姿态从动偏转为零偏;相应地,从零偏转为动偏的条件为轨道角为90。且太阳与轨道面夹角绝对值大于等于4。。 (2)研究了仅与天底角以及与天底角和方位角相关的导航卫星天线相位中心偏差和变化估计的理论,以及天线相位中心改正对导航卫星轨道、钟差、对流层延迟、测站坐标和框架尺度等参数的影响。基于2013年第150天至2014年第181天的实测数据确定了北斗IGSO、MEO和Galileo-IOV卫星天线相位中心偏差(PCO)和仅与天底角相关的天线相位中心变化(PCV),.与欧洲空间局相应结果比较表明两者北斗IGSO和MEO卫星天线PCV差异的标准差在1mm以内,但是PCO差异较大。具体而言,两者IGSO和MEO卫星X轴PCO差异分别为37.4mm和26.0mm,Z轴PCO差异则分别可达-50cm和12.1cm左右。通过对重叠轨道差异、测站坐标和对流层参数的分析表明采用实际估计的天线相位中心改正能够显著提升北斗MEO和Galileo-IOV卫星轨道重叠精度以及测站高程方向精度,但是对北斗IGSO卫星轨道和测站对流层参数影响相对较小。 (3)比较和分析了动偏和零偏姿态模式下北斗GEO卫星定轨精度,结果表明不同偏航姿态对GEO卫星重叠轨道差异影响较小,但是显著影响其绝对轨道精度。在此基础上,进一步比较和分析了零偏姿态模式下不同光压力对北斗GEO卫星定轨的影响,结果表明通过估计CODE5参数和切向经验常量加速度可以显著提高重叠轨道精度,而基于可校正Box-wing模型可以获得具有较高绝对精度的轨道。相关结果说明在现有几何观测条件下,通过构建更为合适的光压力模型可以进一步提高北斗GEO卫星定轨精度。 (4)深入研究了北斗IGSO和MEO卫星在零偏和偏航姿态转换期间定轨精度降低的机理和解决方法。基于分析型光压力和热辐射力模型,通过仿真分析动偏和零偏姿态模式下光压力和热辐射力变化表明姿态控制模式变化引起的北斗IGSO和MEO卫星非保守力变化主要集中于切向和径向。因此,本文提出在CODE模型中引入切向常量加速度参数以改善CODE光压力模型对零偏模式下导航卫星精密定轨的不适用性,定轨结果表明该方法能显著提高零偏期间北斗IGSO和MEO卫星定轨精度,且基本与动偏模式下定轨精度相当。当分段估计额外引入的切向常量加速度时,IGSO卫星在姿态转换期间定轨精度有较大提升。 (5)基于双频消电离层组合分别采用“一步法”和“两步法”确定了在同一时空框架下的GPS、GLONASS、北斗和Galileo-IOV卫星精密轨道和钟差,与IGS最终轨道和钟差产品比较表明本文所解算的GPS和GLONASS轨道和钟差精度与GFZ和CODE最终产品精度相当,达到IGS所有分析中心上等水平。同时Galileo-IOV卫星轨道也与其他分析中心精度相当,北斗卫星轨道精度则相对较高。 (6)对于Galileo-IOV卫星轨道分析表明其SLR残差存在约-4-5cm的系统性偏差,并且卫星钟差线性拟合残差RMS值和SLR残差分别与太阳和卫星轨道面夹角相关,此外单天卫星钟差和SLR残差呈现负相关特性,并且SLR残差分布与卫星轨道角相关。上述现象表明当前定轨中所采用的非保守力(特别是光压力)模型并不适合于Galileo-IOV卫星精密定轨,而利用钟差和SLR数据可能是提高现有光压模型的有效手段。此外,北斗C01和C10卫星SLR残差也表现出与轨道角相关的特性。 (7)基于不同钟差基准导得了两种非差非组合函数模型,并对其进行了比较和分析。在此基础上比较了非差非组合和消电离层组合函数模型对数据处理的影响,结果表明虽然基于非差非组合模式求得的卫星轨道、钟差、地球定向参数等产品精度略优于消电离层组合,但是由于电离层延迟等参数的引入显著降低了基于非差非组合模式精密定轨的数据处理效率。因此本文认为轨道和钟差确定采用双频消电离层组合模型较为适宜。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:P228.4

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