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导航卫星快速定轨和预报方法研究

刘伟平  
【摘要】:导航卫星的常规精密定轨和预报普遍采用长弧定轨、长弧预报模式,通过连续累积数天的观测数据进行定轨解算,并完成较长弧段的轨道预报,其技术理论成,得到了广泛应用。快速定轨和预报,是指利用一定的方法,在较短的时间内得出满足应用需求的卫星精密轨道,并进行一定弧长的精确预报,主要应用于卫星机动后的快速轨道确定,是在特定情况下的卫星精密定轨和预报。 导航卫星在空间运行,为了保持特定的轨道及姿态,通常需要进行一定的轨道机动,机动影响了导航卫星原有力学模型的正确性,破坏了连续多天弧段观测资料的积累,使得常规精密定轨自机动后相当长时间之内无法提供满足精度要求的定轨和预报结果。本文对机动造成常规精密定轨“中断”的具体问题,重点研究了导航卫星快速定轨和预报的方法,以使卫星自机动之后尽快恢复正常工作,从而保证卫星导航系统的连续稳定运行,提高系统的可用性。在相关研究的基础上,作者开发了快速定轨和预报原型软件。论文的主要工作总结如下: 1、研究了卫星的运动方程,简要介绍了主要的摄动力模型,以运动方程为基础,推导给出了变分方程及运动方程和变分方程的联合积分形式,介绍了运动方程和变分方程常用的数值解法,在此基础上,给出了轨道仿真的方法,研制了原型软件的轨道仿真模块,并对MEO卫星和GEO卫星的轨道进行了仿真分析。 2、根据快速定轨的应用需求,选择了相应的观测量类型,提出一种观测量误差改正效果评定方法,研制了原型软件的误差改正效果评定模块,结合具体算例,对相应观测量的误差改正效果进行了分析。 3、给出了不同测站同步观测量的获取方法,据此设计实现了适用于导航卫星的几何法快速定轨方法,达到了单历元实时和事后快速确定导航卫星在轨位置的目的;对直接使用多项式对几何法定轨结果进行拟合预报的常规处理方式进行了一定程度的改进,研究了几何法定轨的预报方法。研制了原型软件的几何法快速定轨和预报模块,结合MEO/GEO卫星仿真和实测数据,验证了方法的正确性,考察了方法在两类卫星中应用的可行性,并对比分析了不同处理策略对定轨结果的影响以及MEO卫星和GEO卫星的几何法快速定轨和预报效果差异情况。 4、系统研究了短弧动力法快速定轨和预报方法,利用该方法可以在事后不长的时间内(5分钟),提供光滑的动力学轨道,并可据此进行轨道预报。研制了原型软件的短弧动力法快速定轨和预报模块,通过MEO/GEO卫星仿真、实测数据验证了方法的正确性和可行性,并与几何法快速定轨和预报进行了一定程度的对比分析。 5、分析了几何法和短弧动力法各自存在的优缺点,借鉴“动力平滑”的思想,综合几何法和动力法的优势,实现精度高于几何法的实时定轨,一定时间之后,给出与短弧动力法定轨精度相当的卫星状态,根据其定轨特点,同时考虑快速定轨的应用背景,给出了一种轨道预报方法。研制了原型软件的几何轨道动力平滑模块,结合MEO/GEO卫星仿真、实测数据验证方法正确可行的同时,对比分析了该方法与几何法、短弧动力法的异同及定轨预报效果的差异情况。


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