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基于星间观测的星座自主导航方法研究

张艳  
【摘要】: 随着卫星应用需求的日益发展,特别是上世纪80年代以来,越来越多的飞行任务仅靠单颗卫星已不可能完成,于是由多颗卫星组成的星座开始引起人们的关注。星座中的卫星数目往往较多,并且要求一定程度的协同工作,因此单纯采用单星自主定轨不是一个最佳的选择。本文充分利用星座本身构成的空间约束,研究了基于星间观测的星座自主导航方法。通过对该方法进行数学分析,设计了星座自主导航系统的基本框架,并重点研究了整网定轨方法、抗差估计方法和基于星间观测+星光折射的组合导航方法。本文的主要研究工作如下: 1)在建立星-星跟踪定轨条件方程的基础上,对其法方程的系数矩阵进行研究,分析了在不同情况下,卫星对应的轨道根数的相关性。并通过对Walker星座某一时刻的星间观测网进行几何分析和数值分析,定量给出了利用不同类型的星间观测网对轨道根数变化引起的系统误差和随机误差的修正情况。最后还对星座的整体旋转误差进行了分析,给出了旋转误差的计算方法和边界条件。 2)针对星间观测网的秩亏问题,进行星座自主导航系统的框架设计,讨论了星间、星地的测量方案以及测量值的时间同步问题,最后对影响星座导航精度的各个因素进行了数学分析,得出了一些有益的结论。 3)主要讨论了伪逆平差、有偏估计、Bayes估计等秩亏自由网平差方法,通过对具体方法的分析,给出了适用于星座自主导航系统的整网定轨模型。同时为了节省计算时间,设计了快速平差方法,通过合适的分组,在不降低定位精度的前提下,提高了计算速度。 4)通过分析星间测距网的特殊性,设计了适用于星间测距网的抗差方案。该方案不仅能够准确检测出观测粗差,而且还能进行失效节点的检测,避免了由于某颗卫星的失效而导致自主导航系统的整体失效。通过与其它两种方案的比较,表明该方案在粗差定位的准确性和精度方面都优于其它两种方法。 5)充分利用星光折射和星间观测自主导航方法的特点,提出一种基于星间观测+星光折射的信息融合的星座自主导航系统,依据较精确的大气折射模型,构筑基于测量星光折射角、星间相对距离和相对速度的组合导航算法。理论分析和仿真计算的结果都表明,基于信息融合的组合导航系统要比单独使用其中一种导航系统具有更高的导航精度和可靠性。 6)以GPS卫星为例,进行仿真研究。讨论了GPS卫星的力学模型、轨道积分方法以及星间观测值模拟。通过对星座进行90天的定轨仿真,结果表明采用星间测距网可以实现中高轨道星座的长时段精密定轨。


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