导航卫星自主定轨及星地联合定轨的方法研究和模拟计算

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1、导航卫星自主定轨及星地联合定轨的方法研究和模拟计算武汉大学博士学位论文答辩研究生：刘万科指导教师：李征航教授2008年05月导航卫星自主定轨及星地联合定轨的方法研究和模拟计算第一章.绪论第二章.卫星轨道基础理论第三章.卫星动力学定轨理论第四章.导航卫星自主定轨技术与方法第五章.自主定轨软件实现与模拟结果第六章.结论与展望论文主要内容第一章.绪论§1.1论文选题及意义§1.2导航卫星自主定轨技术发展现状§1.3本文的主要研究内容导航卫星的轨道是卫星导航系统进行导航定位的前提。目前导航卫星所播发的广播星历通常都是由地面控制系统(OCS)来提供的。战时OCS往往是对方首先摧毁的目标，存储在卫

2、星上的预报星历的精度将随着预报时间的增长而迅速下降。这就意味着一旦OCS被毁，整个卫星导航系统将由于无法提供精确的卫星星历而很快陷于瘫痪。§1.1论文选题及意义我国在布设北斗卫星系统的地面跟踪网时，很难像美国那样在全球均匀布设地面跟踪站。自主定轨及星地联合定轨的实现可大大提升北斗卫星导航系统在非常时期的生存能力和性能指标，同时也可改变我国难以均匀布站的困境，因此，本文的选题具有非常重要的现实意义和军事意义。§1.1论文选题及意义自主定轨的概念图(JohnA.Rajan,2002)导航星座的自主定轨是指卫星在长时间内缺少地面控制系统支持的情况下，通过星间双向观测（测距、测速、方向观测）、

3、数据交换以及星载处理器的处理，不断修正地面站注入的长期预报星历及时钟参数，并自主生成导航电文和保持星座基本构形，维持整个系统的正常运行和战时生命力的实现过程。1.2.1、GPS自主定轨（导航）的概念§1.2导航卫星自主定轨技术发展现状20世纪80年代，美国就开始了自主定轨的可行性研究，并于1990年6月，基本完成了导航卫星自主定轨的理论、设计和数据模拟等工作。设计指标为：在不顾及地球自转参数预报误差的情况下，用户测距误差URE优于6米(1σ)，达到与广播星历相当的精度。从目前的在轨数据事后测试结果来看，GPS系统的自主定轨方法是可行的，可以获得满意的定轨结果！1.2.2GPS卫星自主定

4、轨技术的发展现状目前，在国外只有少量公开发表的文献介绍了自主定轨的发展概况。近年来，随着我国北斗卫星导航系统筹建工作的展开，国内部分学者对导航卫星星座的自主定轨做了一些探索性研究，取得了一些初步研究成果。国内外的研究成果主要体现在以下几个方面：（1）.卫星星座的整体旋转问题1990年，M.P.Ananda等指出：基于星间测距的自主定轨中，星座作为一个刚体相对于地球的整体旋转存在“不可观测性”问题，即导航星座的整体旋转问题。1.2.3近年来国内外的研究成果如何限制或消除星座的整体旋转问题，是自主定轨研究的一个关键问题。国内外解决此问题的角度可分为两个方面：自主定轨的参数估计、自主定轨的工

5、作模式。1.2.3近年来国内外的研究成果（2）卫星钟差（相对钟差和系统钟差）通过星间双向测距数据，可以精确保证各卫星之间的时间同步导航星座的时间系统与地面的参考时间系统（如UTC）存在一个系统偏差。该系统偏差并不影响用户的导航定位精度，但会导致用户接收机钟差解算结果出现系统偏差对于消除卫星钟的系统偏差，除了增加导航卫星与地面站的联系外，目前的研究成果中没有更好的解决办法.1.2.3近年来国内外的研究成果（3）自主定轨的最优估计（滤波）方法BlockIIR卫星的自主定轨系统是由两个独立的卡尔曼滤波器组成，其中一个用于估计卫星轨道参数，另一个用于卫星时钟同步。关于这两个滤波器的系统设计、过

6、程噪声补偿、克服滤波发散等一些核心算法至今没有公开。我国学者虽然也设计了滤波器并进行自主定轨的模拟计算，但与工程应用还有很大的差距。1.2.3近年来国内外的研究成果本文的主要目的有两个：研究如何通过导航卫星间的测距观测值实现自主定轨，使卫星导航系统减少甚至摆脱对地面控制系统的依赖性而具有自主定轨能力；研究综合利用地面监测站的观测数据和星间测距数据进行星地联合定轨（简称为星地联合定轨）的技术与方法。本文的主要研究内容围绕上述两个目的来展开，主要包括：轨道基础理论、自主定轨方法、星地联合定轨方法、软件研制、模拟计算等。§1.3本文的主要研究内容第二章.卫星轨道基础理论§2.1时间系统和坐标

7、系统§2.2开普勒轨道的定义§2.3摄动力模型§2.4受力分析第三章.卫星动力学定轨理论与方法§3.1卫星摄动运动方程、变分方程及其求解§3.2部分力模型的偏导数计算§3.3三种积分器：RK法、Adams法和Cowell法§3.4卫星动力学定轨原理卫星轨道动力信息（地球引力日月引力、光压、潮汐引力等）观测方程的线性化状态方程的线性化、变分方程的积分求解采用最小二乘或滤波等方法实现对初值向量的改正采用积分方法，获得任意时刻的轨道信息，并输出状态转