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《中国科学院研究生院(国家授时中心)》 2011年
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基于转发式的导航卫星精密定轨研究

雷辉  
【摘要】:Compass是我国自主设计开发的现代卫星导航系统。精确确定导航卫星轨道,既可以为Compass系统建设阶段的各种相关技术试验提供有力支持,又是系统建成后实现Compass在精密导航、定位、授时、以及科学研究等领域高精度应用的关键,具有重要的意义。 Compass的星座与GPS星座不同,由地球静止轨道(GEO)、倾斜同步轨道(IGSO)和中轨道(MEO)三种轨道类型混合组成。GEO卫星独特的高轨和静地特性使得其精密轨道确定存在很多特殊的重要问题,主要表现在:首先,GEO卫星轨道高(距地面36500km),如果跟踪站布设范围小(跟踪站限于国内),使得对GEO卫星的观测几何精度衰减因子差;其次,GEO卫星与地面相对静止,站星之间几何关系变化小,使得一些系统误差(如钟差及测站偏差等)难以分离;另外,为了保持GEO卫星相对地面的位置,需要频繁地实施卫星机动控制,给GEO卫星精密轨道的确定和预报带来较大麻烦。由于在导航系统布设的初期只有一颗工作卫星,此时需要对单颗导航卫星进行定轨。这时无法使用GNSS中成熟的钟差处理方法,解决伪距数据中的卫星钟差和接收机钟差对卫星精密定轨的影响。 本文围绕上述问题,就在GEO卫星以及MEO卫星的精密定轨问题,基于转发式观测资料,在以下几个方面展开了深入探讨和研究: 1.自发自收模式下的GEO卫星定轨 本文针对GEO卫星与地面相对静止,站星之间几何关系变化小,使得测站系统差难以分离的问题,提出了通过逐次迭代的方法求解各转发式测轨站的系统差的轨道解算方法。并从“转发式卫星测轨方法”的原理出发,详细推导了自发自收模式的观测方程。利用国内5个转发式测轨站在2005年6月6日至6月13日期间对鑫诺1号的观测数据,进行自发自收模式下的定轨试验。 2.对观测模式下的GEO卫星定轨 本文针对GEO卫星轨道高,国内转发式测轨站对GEO卫星的观测的几何精度衰减因子比较差的问题,提出了新的观测模式——对观测模式。对观测模式下,两个站互发互收的观测量组成对观测观测量,加强了对卫星的约束,还消除了两站钟差的影响。并从“转发式卫星测轨方法”的原理出发,详细推导了对模式的观测方程。利用国内5个转发式测轨站在2005年6月6日至6月13日期间对鑫诺1号的观测数据,进行对观测模式下的定轨试验。同时进行了自发自收模式和对观测模式两种观测量的联合定轨试验,两种观测量的联合,大大降低了DOP因子。试验结果表明联合定轨的定轨残差与两种模式单独定轨的残差相当,轨道重叠误差与两种模式单独定轨的轨道重叠误差相当。 3.GEO卫星几何法定轨 针对GEO卫星频繁机动问题,提出了几何法定轨的方法。当GEO卫星在机动情况下会受到推力,此时动力学定轨效果不佳,可以考虑采用几何法。本文详细推导了单点定位法以及基于多项式拟合的几何法定轨公式,并进行单点定位试验。 4.GEO卫星短弧定轨以及轨道预报 针对GEO卫星机动后的轨道快速恢复问题,提出了短弧动力学定轨及其预报的方法。GEO卫星为了保持位置经常需要进行轨道机动,卫星在轨道机动期间由于受到机动力的作用,使得统计动力学定轨需要重新进行。为了在GEO卫星机动后快速的恢复轨道,就需要进行短弧定轨。对5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、60分钟以及两小时的弧长分别进行短弧定轨试验,以及定轨后两小时轨道预报试验。 5.Compass-M1卫星单星定轨 针对导航卫星单星定轨中的钟差难以处理的问题,提出了对钟差进行二次多项式建模的方法,并且辅助以站间时间同步数据。首先利用GPS卫星实测数据对所拟采取的单星定轨方案进行了验证。然后对Compass-M1分别进行了有无站间时间同步信息辅助的定轨比较。从定轨残差、重叠弧段差异、SLR数据残差三个方面对定轨结果进行了精度评定。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(国家授时中心)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN967.1

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