星载GPS卫星定轨中若干问题的研究

【摘要】：与传统的地基卫星跟踪系统不同，星载GPS能给低轨卫星提供相对经济、精确、连续和完整的跟踪。由于具有全球覆盖以及三维观测的特点，GPS系统给低轨卫星定轨提供了非常丰富的几何信息，利用星载GPS确定卫星的轨道已逐步成为低轨卫星轨道测定的一种主要手段。 目前，关于星载GPS卫星定轨的研究已成为国内、外研究的一个热点，国际上许多著名机构都在积极地推进星载GPS定轨技术的发展，并已取得了较大进展。 本文对星载GPS卫星定轨的有关问题进行了深入研究，主要研究了如下内容： 1．研究了星载GPS卫星运动学定轨的基本原理和方法，分析了各种运动学定轨法的优点和不足，讨论了星载GPS卫星运动学定轨及相关研究的进展。 2．研究了三种精密单点定位(PPP)模型，即传统模型、UofC模型和无模糊度模型，对它们进行了深入地分析、讨论，并分别将它们应用到CHAMP卫星星载GPS实测数据处理中，得到了各自的非差运动学定轨结果。轨道比较的情况表明，采用三种PPP模型的定轨结果都能达到厘米级的精度。从目前事后处理的情况来看，传统模型的定轨结果稍好一点；UofC模型的定轨结果次之，但与传统模型的结果相差不大；无模糊度模型的定轨结果稍差一点。 三种PPP模型的区别，主要表现在对模糊度的处理上面。传统模型对组合模糊度直接迭代求解，虽然在事后处理中能获得较好的定轨结果，但由于迭代收敛较慢，这种模型不太适合于实时定轨；UofC模型可以分开估计两个载波上的模糊度，从而加快定轨结果的收敛，这种模型适于实时定轨，但由于在模糊度的解算方面仍面临一些困难，所以这一模型的优势没有完全体现出来；无模糊度模型干脆将模糊度全消除了，解算速度较快，这种模型适于实时定轨，但由此也引起新的问题，如观测资料利用率低、受数据中断的影响较大等。实际应用中，应根据定轨任务的要求来选取模型。 3．深入研究了抗差估计理论。并针对星载GPS不同于地面GPS所处环境，以及星载GPS卫星非差运动学定轨的特点，提出了将抗差估计应用于星载GPS卫星非差运动学定轨的新方案，一方面可以尽量保留来自每颗GPS卫星的观测值，保持较强的卫星几何强度，充分利用观测信息避免轨道求解出现奇异：另一方面，采用抗差估计中的等价权思想，有效地降低质量较差的观测值对定轨结果的不利影响，保证定轨精度。采用CHAMP卫星的实测GPS数据进行了定轨计算，与GFZ科学轨道比较结果显示，抗差估计结果比最小二乘估计结果在切向、法向和径向都有明显的改进，验证了新方案的可行性和有效性。 在运动学定轨中，有效的卫星跟踪个数和好的GPS数据质量是很重要的。由于周跳和粗差可以大大的降低最终轨道的精度，因而周跳探测和粗差处理是运动学定轨处理中一项非