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基于星间链路的导航卫星轨道确定及时间同步方法研究

朱俊  
【摘要】:从提高导航战能力和解决局域监测网跟踪局限性问题的实际需求出发,建设星间链路成为新一代全球导航卫星系统的发展趋势。本文主要针对星间链路支持下的导航卫星轨道确定和时间同步方法进行研究,其最终目的是实现工程约束下的轨道和钟差参数的最优估计。主要研究解决了两个关键问题——星地联合估计问题和分布式自主导航问题。主要研究内容如下: (1)设计和分析了具有星间链路的导航星座总体框架。研究并设计了导航星座的多层链路框架;研究并描述了星间链路的双单向测量原理,系统分析总结了星间链路测量误差源;详细设计了自主导航的数据处理流程,给出了星间双向测距资料的基本处理过程;在分析星间链路动态拓扑结构的基础上,基于定位原理提出了导航星座自主导航精度的初步估计方法。 (2)研究并提出了导航卫星星座的星地联合整网估计的理论、模型和算法。在对星间链路支持下的MCS的轨道和钟差处理任务分析的基础上,结合整网平差原理和近年来发展的联合定轨理论,提出了星地联合整网批处理定轨算法;并从工程化的角度提出了整网实时定轨和时间同步算法,给出了整网UD-EKF数值稳定算法;将抗差M估计和自适应滤波原理引入到联合估计中,设计了多因子抗差自适应滤波算法。研究结果表明,联合估计能够实现轨道和钟差参数的连续高精度估计,从而解决局域监测网的跟踪局限问题;设计的多因子抗差自适应滤波算法能够抑制模型误差和观测粗差的影响,实现轨道和钟差参数的稳健估计。 (3)研究了分布式自主导航算法。在分析星间伪距观测方程的基础上,系统地研究了几种分布式滤波算法——FOEKF、ICEKF、IREKF和SKF;引入误差协方差分析理论,比较分布式滤波的稳态和瞬态表现;初步比较了各算法的计算量;利用仿真计算比较各分布式算法的导航精度;通过综合比较提出了适用于UHF链路方案的IREKF算法和适用于Ka链路方案的SKF算法;提出了基于分布式跟踪滤波的自主时间同步算法;研究了基于参考星历的分布式自主完好性监测算法;考虑简化动力学模型,在完好性监测的基础上研究了基于预测残差的分布式自适应算法,仿真结果表明该算法能够满足基于简化动力学模型的长期自主定轨精度需求。 (4)研究了导航星座基于星间链路自主导航的一个关键问题——星历不可观性问题;导航卫星的星历不可观主要体现在轨道面定向参数上,又称为星座空间定向问题。通过引入EOPs的高精度预报算法,分析了预报的EOPs引入的轨道长期预报误差;对于星座自主导航在惯性空间的不可观问题,引入基于可观矩阵SVD的非线性系统可观性分析方法,给出了自主导航系统可观性的定性分析;结合工程实际,研究分析了基于地面“锚”技术和基于星间方向观测的空间定向方法。研究表明,基于地面“锚”的半自主导航方案具有较强的工程实现价值。 (5)从融合导航的角度研究了自主导航新技术——脉冲星导航技术在导航星座自主导航中的应用。基于脉冲星和星间链路的观测特点,设计了双采样动静态组合滤波器;在分析基于脉冲星定位精度的基础上,提出了脉冲星辅助导航星座自主导航方法;将设计的组合滤波器用于融合导航方法中,提高了星座长期自主导航精度,可一定程度地解决导航星座在惯性空间的定向问题。 论文的研究是对传统轨道确定理论的进一步丰富和发展,具有一定的理论意义;所研究和发展的理论、模型和算法考虑了实际工程约束,具有一定的工程实践价值。


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