学海网

  基于星载GPS的编队卫星实时高精度相对定轨算法研究，硕士学位论文，共30页，14664字。
  摘 要
  多颗小卫星编队飞行代替单大是航天领域的重要发展趋势，也实现 多颗小卫星编队飞行代替单大是航天领域的重要发展趋势，也实现 InSARInSAR InSAR 以及重力场反演等科学任务的关键性技术，而小卫星相对位置精确定 以及重力场反演等科学任务的关键性技术，而小卫星相对位置精确定 以及重力场反演等科学任务的关键性技术，而小卫星相对位置精确定 以及重力场反演等科学任务的关键性技术，而小卫星相对位置精确定 是编队飞行 重要的基本问题之一 。编队飞行的实时高精度相对定轨技术既能满足 飞行任务的实时性，也是未来现收发分置空基雷达、虚拟天线阵列等技术前 飞行任务的实时性，也是未来现收发分置空基雷达、虚拟天线阵列等技术前 飞行任务的实时性，也是未来现收发分置空基雷达、虚拟天线阵列等技术前 提。国内对 于实时高精度相定轨的研究提。国内对 于实时高精度相定轨的研究较晚 ，短基线 ，短基线 编队实时定轨 仍然停 留在利用伪距观测值阶段 ，对于中长基线仍模拟验证留在利用伪距观测值阶段 ，对于中长基线仍模拟验证，距 离工程应用差，距 离工程应用差较大，需要进一步的深入研究 较大，需要进一步的深入研究 。因此， 本文在动力学模型约束下，以轨道高度为 本文在动力学模型约束下，以轨道高度为 460km -480km 、基线长约为 、基线长约为 190km 的 GRACE 卫星实测数据为例 ，基于单差无电 ，基于单差无电 离层相位观测值 和 UD 滤波 ，实现高精度时相对定轨 软件 RPODRPODRPOD ，为相关研究 和工程应用提供了参考 。
  为了实现 上述 目的，本文针对影响 目的，本文针对影响 实时 相对定轨的三个关键问题进行了 较为 细致的 研究：一是 研究：一是 研究分析了 影响相对定轨结果的各项观测值误差，包括电离层 影响相对定轨结果的各项观测值误差，包括电离层 误差 、广播星历误差 、广播星历、参考站位置误差 、参考站位置误差 、接收机钟差 ；二是通过绝对力学模型求 差来获得“相对力学模型”，以控制观测 差来获得“相对力学模型”，以控制观测 差来获得“相对力学模型”，以控制观测 差来获得“相对力学模型”，以控制观测 差来获得“相对力学模型”，以控制观测 差来获得“相对力学模型”，以控制观测 差来获得“相对力学模型”，以控制观测 差来获得“相对力学模型”，以控制观测 值质量，约束相对轨道精度； 值质量，约束相对轨道精度； 值质量，约束相对轨道精度； 值质量，约束相对轨道精度； 值质量，约束相对轨道精度； 值质量，约束相对轨道精度； 三是 设计 优化了 参数估计策略 ，本文采取单差相位法 ，在 UD 滤波器的基础上 ，利用一阶 利用一阶 高斯马尔科夫过程的 RTNRTN 方向补偿加速度来相 对力学模型的不足，并将对接收机钟差以随游走过程 及钟差速模型 近似。
  具体研究内容 和结论 如下 ：
  （1） 较为系统地研究了实时相对定轨的观测模型、误差力学和数据 较为系统地研究了实时相对定轨的观测模型、误差力学和数据 较为系统地研究了实时相对定轨的观测模型、误差力学和数据 预处理方法。 比较了 已有的各种 相对定轨方法， 阐述了 单差相位法的优缺 点，进而提出了基于单差相位观测值作为实时对定轨模型的现方 ，进而提出了基于单差相位观测值作为实时对定轨模型的现方 案；分析了 电离层 延迟误差 、广播星历误差 、广播星历误差 、参考站位置误差 、参考站位置误差 、接收机钟 差等对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 对相定轨结果精度的影响 ,进而分析了 进而分析了 进而分析了 进而分析了 进而分析了 在当前 的误差影响下 误差影响下 误差影响下 误差影响下 误差影响下 实现 高 精度实时相对定轨的可能 性；研究给出 了实时 相对定轨的观测模型，分析 相对定轨的观测模型，分析 了不同 预报时长 、重力场阶数下相对学模型 、重力场阶数下相对学模型 短期 预报精度， 结果显示 为 了实现高精度相对定轨，重力场阶数应不低于 了实现高精度相对定轨，重力场阶数应不低于 15x15 15x15 阶；简要介绍了 本文 所采用的适于 单差观测值的伪距粗探、 相位 周跳探测的方法，并 周跳探测的方法，并 针 对实时相定轨的特点，采用 对实时相定轨的特点，采用 相对力学模型 来对伪距观测值 进行 质量 控制 。
  （2） 编程实现了基于单差相位模型和 UD滤波的星载 滤波的星载 GPS 实时相对定轨软件， 并基于 广播星历和 实测的 长基线 GRACE A/B GRACE A/B 卫星编队数据开展了实时相 对定轨模拟计算与分析。结果显示， 对定轨模拟计算与分析。结果显示， 同 JPL JPL发布的事后 发布的事后 精密 轨道 比较 ，分 别采用 直接差分法、单伪距相位的 直接差分法、单伪距相位的 直接差分法、单伪距相位的 GRACE 实时相对定轨三维位置精度分别为： 位置精度分别为： 位置精度分别为： 0.55m 0.55m 、0.41m 、0.11m 0.11m ，说明 采用 本文 的相位 的相位 单差 定 轨方案可以 实现高精度 的实时相对定轨 ，其 R、T、N三个方向 位置 精度 RMSRMS 分别为 5cm 、6cm 、7cm ，与国际上利用广播星历 ，与国际上利用广播星历 ，与国际上利用广播星历 的无电离层载波相 位双差法的精度相当。
  （3） 在比较分析的基础上，优化了相对定轨策略。为给出适合于 GRACE 实时相对定轨的最优处理策略，本文 实时相对定轨的最优处理策略，本文 通过 设计 多个 不同的实验 ，较为细致 地分析 了补偿加速度的初始方差及其一阶马尔科夫过程相关时间、稳态 了补偿加速度的初始方差及其一阶马尔科夫过程相关时间、稳态 方差，接收机钟的初始及其随游走过程相关时间、稳态等 方差，接收机钟的初始及其随游走过程相关时间、稳态等 方差，接收机钟的初始及其随游走过程相关时间、稳态等 不同 参数对 实时相对定轨 结果的影响 。可以 。可以 得出 以下 结论：第一， 结论：第一， R、T、 N的补偿加速度、接收机钟差 补偿加速度、接收机钟差 参数初 始方差对滤波 收敛后的 结果影响 较小 ， 但模糊度初始方差过小可能导致滤波 发散 ；第二， 补偿加速度 过程噪声对 滤波结果有明显影响，无论是稳态方差还相关时间增大或减小都会导 滤波结果有明显影响，无论是稳态方差还相关时间增大或减小都会导 滤波结果有明显影响，无论是稳态方差还相关时间增大或减小都会导 致无法获得最优的 滤波结果 ；第三，观测间隔越长滤波结果差本文 第三，观测间隔越长滤波结果差本文 第三，观测间隔越长滤波结果差本文 第三，观测间隔越长滤波结果差本文 建议观测间隔不小于 30s 。
  （4） 对比 最优参数设置下 接收机钟差随游走模型 与速，得到钟差 ，得到钟差 钟速模型可以进一步提高相对定轨精度到 7.7cm 7.7cm；并基于钟差速模型对 ；并基于钟差速模型对 长短基线 进行解算， 单天位置精度均优于 10cm 10cm，速度精均优于 ，速度精均优于 0.12mm/s 0.12mm/s 。
  关键词： 编队卫星；载 GPS ；实时相对定轨； GRACE
 
  目 录
  摘 要 I
  ABSTRACT III
  1 绪论 1
  11 研究背景及意义 1
  12 编队飞行的相对状态测量方法 2
  13 实时相对定轨的意 义 2
  14 星载 GNSS GNSS 相对定轨的研究现状 3
  141 141 国外研究现状 3
  142 142 国内研究现状 5
  15 本文主要工作 6
  2 星载 GPSGPS 定轨基本理论与方法 8
  21 低轨卫星动力学模型 8
  211 211 保守力摄动模型 8
  212 212 非保守力模型 9
  213 213 采用力学模型 11
  22 实时定轨滤波模型 12
  221 221 卡尔曼滤波算法 12
  222 222 UD 分解滤波 12
  23 小结 13
  3 编队卫星实时相对定轨模型与方法 14
  31 参考星单轨 道确定 14
  311 311 估计参数 14
  312 312 参考星单定轨流程 14
  313 313 非差数据预处 理 15
  314 314 参考星单定轨结果 16
  32 相对定轨方法 17
  321 321 直接差分方法 18
  322 322 伪距相关方法 18
  323 323 单差伪距方法 18
  324 324 单差载波相位方法 19
  325 325 双差载波相位方法 19
  326 326 单差相 位与双位对比 21
  33 相对定轨误差分析 21
  331 331 差 分电离层误 21
  332 332 广播星历误差 23
  333 333 参考接收机位置误差 23
  334 334 接收机钟差 24
  34 相对定轨数据预处理 25
  341 341 单差伪距粗探测 26
  342 342 周跳探测 26
  35 相对定轨滤波模型 29
  351 351 相对地球引力模型 29
  352 352 相对轨道预报精度分析 30
  353 353 估计参数的选择 33
  354 354 参数的转移过程 34
  36 小结 34
  4 实时相对定轨软件现与结果分析36
  41 编队卫星实时 相对定轨软件实现 36
  411 411 总体研制情况 36
  412 412 流程图 36
  42 相对定轨数据情况 37
  43 不同相对定轨方法结果比 40
  44 基于单差载波法的实时相对定 轨最优策略确 41
  441 初始方差对相定轨的影响 41
  442 过程噪声对相定轨的影响 47
  443 观测间隔对相定轨的影响 54
  444 钟差模型对相定轨的影响 57
  445 钟差速模型下长短基线对比 58
  45 小结 59
  5 总结与展望 总结与展望 总结与展望 61
  51 工作总结 61
  52 展望 62
  参考文献 参考文献 参考文献 64
  致 谢 67