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基于SLR和伪距观测数据的北斗卫星精密定轨算法研究

付春浩  
【摘要】:我国北斗卫星导航系统正在建设过程中,精密轨道确定是利用导航卫星精密定位的前提,同时轨道精度也是衡量导航系统性能的一个重要指标。目前,GPS的定轨精度已经达到了厘米级,而北斗卫星目前还没有精密星历。虽然北斗卫星精密定轨的原理与GPS基本相同,但是北斗卫星导航系统还存在没有完全组网,且观测站主要局限于国内、观测弧段较短等缺点,针对这种情况,进一步研究北斗卫星精密定轨的算法和数学模型,提高轨道确定的精度和实时性,是目前北斗卫星导航系统研究的一大热点和难点。 卫星精密定轨一般包括数据预处理、初轨确定和轨道改进三个部分。本文系统研究了基于SLR和伪距观测资料的北斗卫星精密定轨的基本理论、模型和算法,给出适用于北斗卫星精密定轨的数据预处理方法、单站定初轨和多站同步观测定初轨算法以及轨道改进的算法,最后形成一套适用于北斗卫星导航系统精密定轨的软件。 本文主要内容包括:首先,介绍了SLR数据预处理的理论方法,包括击中点的计算和误差模型的改正。实验结果表明,经过预处理的SLR距离数据的精度为分米级,为精密定轨提供数据支持;第二,实现了时间系统和坐标系统的转换,统一时空系统,研究JPL的DE405行星星历,便于计算太阳和月球的距离;第三,研究并实现了SLR单站定初轨和多站伪距同步观测资料定初轨的算法,实验结果表明,单站初轨结果最好可达十几米的精度,这两种算法的精度很高,可以作为轨道改进的初始值;第四,研究动力学定轨中的摄动力模型,详细介绍了各模型的原理并给出了详细的公式和偏导数,分析各摄动力对导航卫星轨道的影响级数;第五,介绍轨道改进的基本原理,给出导航卫星的运动方程,详细推导了卫星的状态方程和运动方程,并研究了加权最小二乘估计中病态方程组的解法,通过比较Givens-Gentleman方法与谱修正迭代法,得出Givens-Gentleman方法解病态方程组精度较高的结论。第六,在理论、算法和模型研究的基础之上,编写了一套基于SLR和伪距观测数据的北斗卫星导航系统精密定轨软件,通过对实际观测数据的计算分析,该软件的定轨精度可以达到米级。


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