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GPS用于对地观测编队卫星状态的高精度确定

王威  
【摘要】:N颗(N≥2)卫星编队飞行与通常的星座相比有很多新特点,如星间距较小、星间相对运动有规律等。根据其特性,通过卫星的彼此协同工作,构成一个大“虚拟卫星”。编队卫星可以在很多新的科学任务中应用,例如构成合成孔径实现对地高精度干涉测量。 编队卫星的控制和应用需要确定编队卫星的状态。编队卫星的运动状态包括卫星绝对的和相对的位置、姿态以及钟差。某些应用对编队卫星相对状态的精度要求较高,例如,对地观测的星载分布式雷达飞行任务,要求相对距离精度达到厘米级、相对姿态角精度达到角分级。 GPS是当今确定编队卫星运动状态的一种高精度的有效手段,可同时用于确定绝对的和相对的状态。然而,为了进一步提高相对状态确定的精度,并且快速实现GPS星间载波相位差分的整周模糊度的确定,需增加另外的测量手段,方法之一是采用一种类似GPS的载波相位和伪码交联测距技术。 本论文包括六章及附录。第一章为绪论,首先介绍了卫星编队飞行,特别是利用GPS进行编队卫星状态测量的情况。第二章给出了编队卫星的相对运动方程和对地观测常用的编队卫星轨道设计。第三、四、五章是本论文的重点,针对三星编队飞行对地观测应用分别介绍了利用GPS、星间交联测距以及联合这两种测量手段整体确定编队卫星状态的数学模型和数值仿真分析。其中研究了载波相位整周模糊度的初始化、动态多历元的载波相位差分、差分测量数据的相关性等问题;分析了位置参数、姿态参数和钟差的耦合影响,以及编队卫星运动状态变化(特别是姿态变化)对星间交联测距可用性的影响等问题;引入了测量数据整体解算的方法。针对相距公里级的编队卫星,相对状态估计精度为:相对位置达厘米级,相对姿态角达角分级,相对钟差达十纳秒级。第六章是总结及展望。


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