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单颗导航卫星定轨研究

雷辉  
【摘要】: 卫星导航系统是重要的空间基础设施,为人类带来了巨大的经济效益和社会效益,涉及政治、经济、军事等领域,对维护国家利益具有重大意义。中国作为发展中国家,拥有广阔的领土和海域,有必要也有能力拥有自己的全球卫星定位系统。继美国的全球定位系统(Global Position System,GPS),俄罗斯的GLONASS系统,以及欧盟的“伽利略计划”之后,中国也正在筹建自己的全球卫星导航定位系统——“北斗卫星导航系统”。 导航卫星轨道信息是定位的基本要素,其误差会直接影响用户定位的精度。导航卫星的轨道确定中采用的观测数据是包含卫星钟误差与用户接收机钟误差的伪距测量量。在时间同步系统的支持下,可以获得钟差信息,此时伪距测量量可以等价于距离测量量,卫星轨道确定就简化为测距类型数据的定轨。而如果没有时间同步系统的支持,但是接收机同时接受了两颗以上卫星的伪距数据,则可以通过星站间的同历元差分消除钟差或通过非差方法估计出钟差。 在导航系统工作的某些情况下,如系统布设的初期只有一颗工作卫星或者在某颗卫星进行轨控或机动后,需要对单颗导航卫星进行定轨。这时无法或者不便通过同历元差分手段消除伪距数据中的卫星钟差和接收机钟差。如果对伪距数据做历元间的一次时间差分,由于相邻时间历元的伪距相减,两个历元共同的钟差被减掉,剩余的钟差量级很小。历元间差分只提供关于轨道的差分信息,其定轨的几何强度也因此降低,定轨精度也不是很高。通过对GPS星座的PRN02星进行定轨实验,发现这种定轨方法,径向精度超过8米,沿迹方向偏得更是厉害,竟超过150米。 考察卫星钟差和接收机钟差的特性以后,发现卫星钟差和接收机钟差大致都可以表示成一次多项式的形式,这样伪距测量模型就等价于带线性变化偏差的测距模型。基于此,将其偏差(bias)及偏差漂移(drift)在定轨时加以估计,则可以在很大程度上消除钟差。通过对GPS星座的PRN02星进行定轨实验,发现这种定轨方法明显要比历元间差分好得多,径向的精度不超过3米,沿迹方向的精度不超过20米,但是法向的精度要差一些,超过40米。初步分析认为,这是因为定轨时用的观测资料,全是国内的测站提供的,对应的测轨弧段只覆盖了卫星弧段的很小一部分,测轨数据对卫星轨道的法向分量无法提供较强的约束,导致法向的误差较大。增加了国外的观测资料以后,大大提高了法向和沿迹方向的精度,这也验证了上述分析。 考虑到北斗二代导航卫星本身的信号由原子钟提供频率标准,而测轨监测站的接收机也采用原子钟提供频率标准,其钟差的非线性行为将好于一般的GPS接收机,所以有必要模拟具有稳定钟差的伪距观测数据。模拟结果表明,对于倾斜地球同步轨道(Inclinined GeoSynchronous Orbits,IGSO)卫星和中地球轨道(Medium Earth Orbits,MEO)卫星,这种定轨方案可以期望得到更高的定轨精度。对于地球静止轨道(Geostationary Earth Orbits,GEO)卫星,在所有的测站都没有时间同步信息的情况下,这种定轨方案无法确定其轨道。要想能够确定其轨道,至少要有两个测站有时间同步信息;如果有超过4个测站有时间同步信息,可以期望得到更高的定轨精度。 学位攻读期间将IERS规范(2003)实现在上海天文台的精密定轨软件SHORDE中。IERS规范(2003),是国际地球自转与参考系服务(International EarthRotation and Reference Systems Service),为了满足更高精度的计算要求,公布的最新的标准。它在1983MERIT标准、IERS1989标准、IERS1992标准和IERS1996规范的基础上进行了改进,它定义了目前IERS使用的常数、模型、方法和计算步骤等,为实际应用提供基准和比较。IERS规范(2003)相比IERS规范(1996)在参考系、重力场以及测量模型等方面的改进,基于此对SHORDE进行改进。通过对lageos1、lageos2进行的定轨实验发现,IERS规范(2003)对定轨精度的提高非常有限,这可能和目前的观测精度有关。


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