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《武汉大学》 2018年
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采用GPS与北斗的低轨卫星及其编队精密定轨关键技术研究

张强  
【摘要】:多年以来,星载双频GPS技术在精密确定低轨卫星绝对及相对轨道中得到了深入研究和广泛应用。国内外不同任务的多颗低轨卫星基于双频GPS的定轨实验结果表明,通过纯粹的动力学、简化动力学以及运动学等手段确定的单星绝对轨道在cm级,而卫星编队星间基线解算也早已达到mm级。随着卫星任务与应用对轨道时效性和精度的要求越来越高,分别针对星载平台和星下地面设计了实时与近实时精密定轨系统。目前,除了稳步发展的GPS系统外,北斗和其它精心设计的全球导航卫星系统及其各类型的增强系统都在积极有序的蓬勃发展之中。这些系统既可以独立地承担低轨卫星各项精密定轨任务,也可以互相融合增强以提供更丰富更立体更有效的观测信息。本文在全面调研国内外相关研究现状并充分消化吸收已有研究成果的基础上,集中于采用GPS与北斗确定低轨卫星及其编队的绝对与相对定轨领域进行了一定的尝试与探索。本文主要的研究工作和结论可总结如下:(1)使用相位模糊度固定技术增强低轨卫星定轨性能。在低轨卫星简化动力学定轨中,利用GPS相位整数钟产品实现星载单接收机单天线相位星间单差组合模糊度整数约束。以HY-2A卫星为例以SLR标准点数据对浮点解的精密轨道进行法向偏差估计,指出浮点解条件无论是否校准太阳光压模型均会在法向造成约在-2~2 cm范围内波动的定轨偏差。而固定模糊度相对校正天线PCV能够有效消除定轨法向偏差。并以HY-2A与JASON-3卫星为例,分析了不同动力学强度约束下的模糊度固定效果。最后从固定成功率、重叠弧段精度以及SLR检核残差等方面细致分析了固定模糊度对精密定轨的改进。(2)提高FY-3C卫星在仅采用北斗数据时的定轨性能。目前北斗卫星事后轨道产品中存在的较大误差是制约基于北斗的低轨卫星定轨精度。分析当下北斗轨道误差表现形式可知,GEO存在约在m级的定轨偏差,且每天偏差大小不尽相同,直接采用GEO会降低定轨精度。而且IGSO和MEO定轨在每天边界容易出现约在dm级的不连续性跳变,会降低天边界附近的定轨精度。提出在定轨中同时估计GEO每天切向和法向定轨常量偏差的策略,结果表明相对排除GEO可以提高约20%的三维定轨精度。针对天边界跳变的北斗轨道提出单天高精度拟合北斗轨道的策略以断开相邻天不连续轨道的影响。结果表明相对直接插值北斗轨道能够改善定轨三维约39%的精度,最终仅采用北斗的FY-3C定轨以GPS解为参考在切向、法向、径向和三维分别可达3.9、2.4、1.5和4.9 cm精度。(3)实现GRACE卫星编队的mm级相对定轨功能。双频GPS相位观测值非差与测站单差组合均可以用于卫星编队相对定轨。观测值非差具有可用数量多、完整估计相应参数等优势,同时也引入了 GPS轨道与钟差中误差的影响。而测站单差具有消除GPS卫星端共有误差影响的优势,同时不能有效估计卫星绝对轨道等参数。在单星绝对定轨软件的基础上增加可采用观测值非差或测站单差组合的相对定轨功能,并且能够融合星间测距KBR观测数据以增强定轨效果。以GRACE双星同轨编队任务为例,系统分析了天线PCV、双差模糊度固定、观测值组合类型、是否附加动力学、融合KBR数据等因素对星间基线解算影响。结果证实所实现的相对定轨功能具有为GRACE卫星编队提供mm级简化动力学和运动学基线解的能力。(4)设计星载平台实时与地面系统近实时的定轨算法。在星载平台内的实时定轨与地面接收观测数据后的近实时定轨都存在导航卫星精密轨道与钟差产品难以获取的问题。此外在星上也会受到计算效率与存储空间等的诸多限制。针对星上和星下在仅能获取误差较大的广播星历条件下,提出了利用伪距计算粗略位置和初始接收机钟差随后采用相邻历元间差分的相位观测值进行精密定轨的策略。针对星载平台设计采用平方根信息滤波结合相位历元差分并附加经验加速度的简化动力学实时定轨算法,GRACE双星基于广播星历的仿真模拟定轨结果表明,此算法能够提供长时段平稳连续的dm级轨道产品。针对地面系统设计采用最小二乘批处理结合相位差分的近实时简化动力学定轨算法,GF-3卫星基于广播星历的仿近实时定轨结果表明,本算法可为GF-3卫星提供三维在7~22 cm且平均为14 cm精度的轨道产品。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P228.4

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【参考文献】
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