星间测距与导航卫星自主定轨研究

【摘要】：卫星之间的距离测量是星-星跟踪测定重力场、导航卫星自主定轨以及卫星编队飞行等应用的基础,并且当前我国基于星-星跟踪探测重力场以及BeiDou2卫星导航系统正在建设之中。不同于GPS卫星导航系统,中国BeiDou2卫星导航系统不能全球布设地面站,结合地面站和星间距离测量信息定轨是一种理想的高精度定轨方式,而且依靠星间距离测量信息还可实现导航卫星自主定轨功能。因此,针对静态、弱动态以及高动态环境下卫星之间的距离测量技术以及基于星间测距实现导航卫星自主定轨进行研究,具有非常重要的价值。本论文主要成果和贡献如下： 1、针对静态环境,提出了一种渐进提高精度测距技术：GIPR(Gradully Improving Precision Ranging)测距技术。该测距技术基于伪随机码和载波相位、无需解整周模糊度并可渐进提高测距精度。理论分析及仿真实验结果表明,载波相位测量精度优于(?)周时,测距精度总是可以渐进提高的,并且进行两次渐进距离测量后,测距精度可达微米级,能够满足当前大多数测距精度的需要。 2、针对高动态环境,文中证明,要想仅仅通过星间测距直接获得卫星之间高精度的瞬时距离,也就是同一个时刻点两颗卫星之间的距离,是不可能的。高动态环境下只能精确测量发出信号时刻和对方接收信号时刻两者之间的距离,并针对导航卫星系统这一特殊环境,分析了单向和双向测距技术中钟差对测距精度的影响。 3、针对弱动态环境,文中提出一种近似测量星间瞬时距离的方法：WD_DOWR(Weak Dynamic_Double One Way Ranging)方法。它将光速不变基本原理和DOWR测距技术相结合,推导出弱动态环境下求解星间瞬时距离可能达到的测距精度与卫星之间的距离、相对运动速度之间的解析表达式,并加以仿真分析。 4、针对导航卫星自主定轨研究,提出了两种基于中心差分的CDBFOD(Central-Difference Bayesian Filter based Orbit Determination)和CDFOD (Central-Difference Filter based Orbit Determination)自主定轨方法：CDBFOD定轨方法是一种基于求解初始条件的自主定轨方法。它基于一阶中心差分对导航卫星动力学模型和卫星间距离量测方程进行线性化,并用Bayesian方法进行状态和参数估计。本质上是用中心差分代替求导过程,免去了复杂的人为分析求解雅克比矩阵过程。 5、CDFOD自主定轨方法是一种逐历元定轨方法,该方法采用Stirling插值代替Taylor级数展开,用中心差分代替雅克比矩阵求解,对动力学模型进行线性化处理,观测方程不再进行任何线性化处理。并采用非线性滤波技术中基于中心差分的DD1(first Divided Difference)和DD2(second Divided Difference)滤波器,对卫星状态和参数进行逐历元估计,与基于Taylor级数展开的EKF滤波器相比,实现更加简单,估计精度有所提高。最后用自主开发的基于星间测距自主定轨仿真软件AODV1.0,对CDFOD自主定轨性能进行了仿真验证。