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星载GPS卫星定轨中若干问题的研究

吴江飞  
【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


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