导航卫星广播星历参数及拟合算法研究

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为保证用户PNT(Positioning,、Navigation and Time,定位、导航和授时)服务的正常运行,在利用卫星导航系统进行导航定位时,必须为用户提供实时的高精度卫星位置和速度。作为导航电文重要的组成部分,广播星历能够为用户提供高精度的卫星位置和速度,保证PNT服务的正常运行。因此,在各国的导航卫星系统的建立过程中,广播星历设计是必不可少的。广播星历参数一般首先是对精密轨道外推得到预报轨道,然后对预报轨道进行拟合得到的,目前广播星历参数拟合方法主要有俄罗斯主导的GLONASS卫星导航系统采用的状态矢量积分法和由美国主导的GPS卫星导航系统采用的轨道根数拟合法。由于轨道根数法拟合广播星历参数具有物理意义明确,拟合精度高,外推能力强,算法简单等优点,因此中国的BDS、欧盟的GALILEO等导航系统也采用此方法。然而,由于GPS全部皆为MEO卫星,轨道根数拟合法对不同星座类型的适用性成为了关注的热点。近年来,低轨卫星(LEO)技术在很多领域得到了迅猛发展,尤其在灾害监控、军事侦查、资源勘察等领域尤为突出,对社会经济发展做出了巨大贡献。目前利用LEO卫星作为导航增强卫星来确保导航卫星系统在恶劣的环境下能够提供正常的服务正在成为一种趋势。因此设计一套LEO增强卫星自身广播电文参数就变的非常重要。本文的主要研究工作和成果如下:(1)简要介绍了四大卫星导航系统的发展状况及最新动态,以及广播星历参数拟合常用的几种拟合算法。(2)通过将新的GPS18参数应用到北斗广播星历上,对比传统的16参数的拟合精度高一个量级,当拟合时间间隔不超过4h时,16参数的拟合精度不超过10cm,18参数的拟合精度不超过5cm。当需要进一步提高精度时,建议采用18参数广播星历参数。(3)针对北斗GEO卫星的广播星历参数拟合算法和用户卫星位置计算需要进行轨道面旋转这一问题,采用了第二类无奇点根数,避免了GEO卫星用户算法中一系列的坐标旋转,减少了GEO用户算法的计算步骤,在一定程度上提高了接收机的计算效率。采用北斗GEO精密星历进行参数拟合,结果表明在2h、3h、和4h拟合弧段的条件下,拟合弧段越短拟合精度越高,2h、3h和4h平均拟合精度均小于0.1m。(4)采用第二类无奇点根数来设计卫星的历书参数,计算结果表明三类卫星的拟合精度都能满足卫星进行快速定位的要求,且GEO卫星拟合精度得到一定的提升。(5)以CHAMP卫星为例,详细讨论了将切比雪夫多项式应用于拟合低轨卫星广播星历参数的可能性,当选取合适的拟合时长、拟合阶数和拟合点间隔后,低轨卫星拟合可以达到很高的精度,以CHAMP卫星为例,当拟合阶数为14,拟合时长小于30min,拟合点间隔为10s时,拟合精度就能达到cm级。
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