champ卫星定轨方法研究

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1、摘要摘要在卫星导航系统的研究中，轨道的精密确定和预报是卫星导航系统正常运行的基础，轨道精度也是衡量卫星导航系统性能的一个重要指标，而利用导航星座进行低轨卫星精密定轨是目前应用领域最前沿的方向。如何提高低轨卫星的轨道精度是目前卫星导航技术研究的一大重要课题。本文首先系统研究了卫星精密定轨的基础理论，包括时间系统和坐标系统以及卫星运动方程中的摄动力模型，然后分析采用不同摄动力模型在星载GPs低轨卫星定轨中的影响量级，接着进行星载GPS观测数据的预处理，最后利用作者自主开发的程序，分别从几何定轨、动力法定轨以及卡尔曼滤波定轨三个方面实现星载GPS低轨卫星的定轨，并达到一定的精度。本文主要包括以下

2、研究内容:1、系统研究卫星精密定轨的时间系统和坐标系统:结合卫星定轨的实际要求，讨论了各系统之间的转换关系，对在精密定轨中如何使用JPL星历数据进行定轨参数的计算进行了阐述，并给出了基本框图和详细的公式。2、运动学方程中摄动力模型研究:卫星运动的动力学模型是卫星精密定轨的基本物理模型，也是动力法进行卫星定轨的基本出发点。本论文详细介绍了描述卫星运动状态的各种动力学模型，给出了详细的推导公式，特别分析了各摄动力模型在运动方程中的作用，对各模型对运动方程的影响大小进行分析。利用GFZ提供的CHAMP卫星实测数据，分析不同模型对低轨卫星定轨的影响，得出了一些有用的结论。3、系统分析了星载GPS定

3、轨中数据质量控制的问题，给出了GPS非差观测值的线性组合，详细介绍了星载GPS非差观测数据预处理。首先介绍载波相位和伪距的观测模型，讨论了关于周跳的几种探测方法，接着利用线性组合进行周跳探测和粗差剔除，利用经过预处理的载波相位对伪距进行平滑，得到较为精确的观测值，最后通过CHAMP卫星两个弧段的观测值对其进行验证，结果显示观测弧段的精度得到一定的改善。本文还对CHAMP卫星加速度计数据的预处理进行了详细的讨论，通过卫星加速度数据的标校、仪器坐标系和惯性系之间的坐标转换，加速度改正数的归算以及姿态数据间断的处理这几个方面的研究，得到了经过预处理后的非保守力加速度数据，并将其用于后面的动力法精

4、密定轨中。最后通过实例说明，关于CHAMP卫星加速度计数据的预处理是有效的。这为后面的动力学定轨提供了非保守力模型的加速度数据。4、星载GPS低轨卫星几何定轨:首先分别介绍了基于测码伪距、基于相位摘要平滑伪距和基于双频相位及伪距的星载GPS低轨卫星几何定轨诸方法的原理:然后针对卫星提供的星载数据和IGS的精密星历提供的时间不一致性，阐述了对IGS精密星历进行三次样条和拉格朗日内插的方法，并用实例验证了该内插方法的有效性，再结合经过预处理的星载GPS观测数据和内插得到的IGS精密星历进行了几何法定轨计算。最后实例计算，得到了米级左右的定轨精度。这说明了几何定轨方法的可行性。如此得到的定轨的结

5、果可以作为自主定轨的一种快速算法，同时为后面的精密定轨提供初始轨道参数。5、星载GPS低轨卫星动力学定轨:论文首先从摄动力模型出发介绍星载GPS低轨卫星的运动方程，对状态方程和观测方程进行具体的公式推导，并介绍了轨道估值方法中的批处理算法，然后给出星载GPS低轨卫星定轨的基本模型，包括测码伪距观测方程和测相伪距观测方程，并给出星载GPS低轨卫星批处理动力法定轨的流程图，最后分别根据非保守力力学模型和实测的非保守力加速度数据同其余保守力模型结合，对CHAMP卫星四天的数据进行轨道计算。采用非保守力模型得到轨道精度为亚米级左右，采用非保守力数据得到轨道精度在二十公分左右，本文研究结果显示利用实

6、测的非保守力加速度数据精度优于使用非保守力模型。6、星载GPS低轨卫星卡尔曼滤波定轨:详细阐述了卡尔曼滤波的发展、原理及方法。针对滤波发散以及状态噪声和观测噪声的不确定性，引进了UD分解滤波算法以解决矩阵的病态问题，并提出自适应卡尔曼滤波方法，同时为探测和修正量测方程中存在的粗差问题，提出抗差估计理论，形成抗差卡尔曼滤波方法。通过以上一系列的步骤，可以得到一个较为精确的滤波结果。最后根据需要对自适应抗差卡尔曼滤波进行改进，并用实例对一般抗差卡尔曼滤波和改进的抗差卡尔曼滤波进行计算比较。算例结果表明，这种改进的抗差自适应卡尔曼滤波方法具有稳定性好、有较强的自适应性和能比较好地削弱粗差影响等优

7、点。关键词:星载GPS，低轨卫星，CHAMP绝对定轨，动力法定轨，卡尔曼滤波ABSTRACTSatellitenavigationsystemisbasedonpreciseorbitdeterminationandprediction.Theprecisionofitsorbitisanimportantcapacityindexforsatellitenavigationsystem.Todeterminethepr