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航天器精密轨道抗差估计理论与应用的研究

文援兰  
【摘要】: 随着空间技术的发展,对航天器的轨道精度要求越来越高。但对航天器的 观测数据难免存在观测粗差,对原始观测数据进行预处理一般很难将粗差全部 剔除;传统的粗差探测和定位有时不十分可靠。由于经典最小二乘法不具备抗 御粗差的能力,粗差的存在会影响经典最小二乘法定轨精度。抗差估计通过选 择适当的估计方法使参数估值尽可能减免粗差的影响,得到正常模式下的最佳 估值,并具有很强的抗差性。虽然它已在许多领域得到广泛的应用,但将其应 用于航天器精密定轨,还需进行理论、模型、算法和应用方面的研究。本文致 力于抗差估计精密确定航天器轨道的研究。 建立了用于航天器精密轨道确定的抗差批处理模型及计算步骤;将Givens- Gentleman正交变换算法推广应用于抗差批处理,推演出适应于此算法的验后 方差因子和参数协方差矩阵的表达式;讨论了抗差批处理的等价权函数的分解 与计算问题,分析了Givens-Gentleman正交变换算法的数值稳定性。 在讨论经典的Kalman滤波、状态噪声补偿算法滤波、自适应滤波基础上, 研究了M-LS抗差滤波、状态噪声补偿M-LS抗差滤波、状态噪声自适应M-LS 抗差滤波、LS-M抗差滤波、M-M抗差滤波等定轨模型。在抗差滤波中提出了 等价准协方差矩阵的概念, 等价权函数和等价准协方差矩阵的引入,使抗差批处理和抗差滤波在定轨 方面的实际应用成为可能,这不但在形式上能保留已有的定轨模型和算法,而 且还能保留已发展成熟的航天器定轨软件,加入等价权函数和等价准协方差矩 阵的算法即可以实现抗差定轨。 研究了星载GPS实时定轨的有关问题,采用的观测数据为单频C/A码伪距 及伪距率观测值,研究的内容包括GPS卫星广播星历的精度及其粗差、几何法 定轨、动力法定轨、综合几何—动力法定轨。 采用了Lageos卫星实际的激光测距数据和半模拟半实测的星载GPS观测 数据对本文研究的各种定轨方法进行了计算与比较,说明了抗差估计定轨的抗 差性和优效性。 在应用性研究方面,讨论了对月球探测器的定轨问题。首先就探测器携载GPS 接收机用于地月转移轨道近地段定轨的几个问题进行分析;然后论述了地面站对 月球探测器轨道测控的观测方式的选取、地面站的分布、制导点的调整、定轨精 度和可行性。其中提供的仿真数据和图例及其研究方法和结果可供月球探测实际 工程参考。


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