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星载GPS低轨卫星定轨理论及方法研究

秦显平  
【摘要】:本文研究了星载GPS低轨卫星定轨技术的基本理论和方法,研制了星载GPS低轨卫星约化动力法定轨软件,针对约化动力法和推广卡尔曼滤波存在的问题,开展了星载GPS低轨卫星自适应事后和实时定轨研究,论文最后对星载GPS编队卫星相对定位技术进行了研究。主要工作及创新点概括如下: 1.介绍了星载GPS低轨卫星定轨的基本理论和方法,比较分析了卫星定轨中批处理和序贯处理的优缺点,讨论了星载GPS低轨卫星实时定轨和事后定轨的异同,阐述了星载GPS编队卫星相对定位的研究状况,分析认为以卡尔曼滤波形式进行的约化动力法研究,既可以满足事后定轨和实时定轨的需求,而且便于软件开发;以GRACE卫星为对象开展研究,既可以满足单颗卫星定轨的研究需要,又可以满足编队卫星相对定位的研究需要。 2.分析了不同因素对单点定位的影响,讨论了动力平滑定轨中估计参数的设置问题,计算结果表明:在动力平滑中可以不考虑太阳光压、大气阻力的影响,通过求解经验参数获得了较好的结果;增加估计径向经验加速度可能造成过度化参数,降低动力平滑精度。 3.研究了基于单点定位结果的动力学定轨方法,计算结果表明:利用动力学模型平滑单点定位结果,可以极大地减少单点定位结果的随机误差,提高单点定位结果精度。与JPL轨道的比较结果表明,动力平滑轨道在径向和法向的轨道精度优于10cm,沿迹方向的轨道精度优于20cm。 4.研究了抗差估计在动力平滑单点定位结果中的应用,计算结果表明:抗差估计可以有效地减弱观测粗差的影响,从而提高卫星定轨精度。但是,由于没有采用抗差动力平滑时,已经删除了超过3倍中误差的观测数据,因此采用抗差后的结果提高有限。 5.提出并实现了附有动力学信息的几何法定轨。计算结果表明:附有动力学信息的几何法定轨虽然能够解决运动学轨道的断点现象,但几何法轨道的跳变现象并没有得到很好的解决,指出提高动力学轨道精度可望解决跳变现象;采用附有动力学信息的几何法定轨所获得的卫星轨道在径向、法向和沿迹方向的精度均优于10cm。 6.从卫星运动方程、经验加速度处理和观测方程入手详细研究了约化动力法,介绍了约化动力法计算步骤,编制了星载GPS低轨卫星约化动力法(RDT)定轨软件。采用GRACE卫星实测数据验证了本文约化动力法软件的可行性,初步计算表明:本文约化动力法采用推广卡尔曼滤波算法收敛速度较快,定轨精度在径向、法向和沿迹方向的精度优于10cm。 7.研究分析了初始方差、稳态方差、相关时间对约化动力法定轨的影响。研究表明:RTN经验力稳态方差对定轨的影响较大,无论是增大经验力稳态方差还是减小都会影响到定轨精度,但存在一个适当的稳态方差使观测信息和动力学模型信息具有最佳的权比,从而得到一个高精度的定轨结果。 8.讨论了卡尔曼滤波平滑、双向滤波和抗差估计对约化动力法的改进。研究表明:卡尔曼滤波平滑和双向滤波可以提高约化动力法定轨精度,其中卡尔曼滤波平滑可以显著提高约化动力法开始阶段的定轨精度,而双向滤波不仅能显著提高约化动力法开始阶段的定轨精度,而且可以显著提高整个弧段的定轨精度。双向滤波定轨在径向、法向和沿迹方向的精度约4-6cm。当卫星出现异常观测时,约化动力法的定轨结果会受到较大影响,而此时抗差约化动力法定轨能够通过对观测向量等价协方差阵和卫星状态预报值等价协方差阵的调节达到抑制异常观测影响的目的。 9.提出了不求解随机过程参数的推广卡尔曼滤波(EKF)定轨方法。试验计算表明,该方法较约化动力法结果平滑,但是在轨道法向存在系统差,采用双向滤波可以消除系统差,两颗GRACE卫星的7天实测数据计算表明:双向滤波定轨在径向、法向和沿迹方向的精度可以达到5cm,3维位置精度优于10cm;推广双向卡尔曼滤波定轨精度优于约化动力法双向滤波定轨精度。 10.利用状态不符值构造自适应因子,实现了星载GPS低轨卫星的自适应(AKF)定轨。试验计算表明,推广卡尔曼滤波定轨(EKF)、自适应定轨(AKF)、约化动力法(RDT)定轨三者精度基本相当,但前两者的轨道相对后者较为平滑;采用AKF、EKF、RDT双向滤波定轨,GRACE-A、GRACE-B卫星的3维位置精度分别优于9cm、7cm;AKF、EKF双向滤波的定轨结果优于RDT双向滤波定轨结果。提出并实现了以单点定位结果为观测值,采用自适应定轨方法的实时定轨方案。试验计算表明,自适应定轨避开了状态噪声补偿矩阵设置的难题,具有较好的实时性和稳定性。 11.研究了编队卫星相对定位,实现了编队卫星相对定位软件。GRACE卫星10天实测数据的相对定位计算表明:固定模糊度参数后,采用本文软件可以得到5mm的编队卫星相对定位结果。


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