基于星间测距及方向约束的导航星座自主定轨技术研究

【摘要】：导航卫星自主导航是提高导航系统生存能力一个重要方面,而轨道精度是衡量其性能优劣的一个重要指标。本文旨在解决导航星座自主定轨中涉及到的高精度轨道长期预报、星座方向约束算法以及轨道估计优化算法等技术难点。主要的研究工作如下: 1、系统研究了导航星座自主定轨的基础理论,包括时间系统、坐标系统、动力学模型及卫星运动方程的数值解法。轨道长期预报精度主要取决于动力学模型误差。针对导航卫星,分析各种摄动力的影响情况,综合定轨精度和计算效率,确定需考虑的主要摄动力。 2、重点研究了EKF和UKF两种非线性滤波方法。针对计算发散问题,提出了平方根EKF算法和平方根UKF算法,并通过仿真算例比较两者的性能。 3、针对导航卫星这一类高轨卫星,讨论了自主定轨时状态量的选择问题。考虑到轨道计算的快速性要求,选择轨道根数作为状态量,并顾及到导航卫星的轨道大都是小偏心率近圆轨道这一特点,最终选用第一类无奇点根数作为状态量。 4、建立星间伪距测量模型,证明仅采用星间测距进行自主定轨时存在秩亏问题,并提出融合卫星轨道先验值信息、星间测距信息和轨道动力学信息的整网定轨算法。 5、长期轨道预报信息包含了卫星轨道的演化特征,充分利用这一信息可以有效减少星座自由漂移对定轨精度的影响,研究了基于轨道预报的星座方向约束算法。 6、分别采用数值法和解析法计算状态转移矩阵,并对两者的精度进行比较。结果表明,解析法完全可以达到定轨的精度要求,从而提出了改进的SREKF算法,并通过与SRUKF算法比较,验证本文所提算法兼有高精度和高效性的优点。