论文部分内容阅读
随着人类认识宇宙的手段不断丰富,人类的探测活动向外层空间乃至深空环境不断拓展,使得中高轨道的卫星应用逐渐增多。然而,确定卫星的高精度轨道是保证卫星应用任务成功实施的前提和基础。目前,传统的地基测量技术,通过测角、测速和测距的方法,依然是实现中高轨卫星定轨的主要技术手段。由于地基测量技术存在跟踪弧段短,测站分布不均等缺陷,定轨精度仅为百米量级,已经无法满足中高轨卫星及航天器的高精度应用需求。星载GNSS技术具有全天候、高精度、低成本的优点,可实现对卫星的连续跟踪,已在低轨卫星及航天器精密定轨应用中取得巨大成功,事后定轨精度在厘米量级,实时定轨精度可达到分米水平。开展星载GNSS技术在高轨航天器和卫星上的高精度定轨应用研究,可有效减轻地面测控网的负担,增强卫星的自主管理能力,减弱卫星对地面系统的依赖。当前高轨GNSS技术尚处于应用研究阶段,由于信号的传输路径长,约为地面用户的2到3倍,受等离子层的影响,观测值中存在一定的系统性延迟误差,使得几何观测模型与观测数据之间存在偏差;考虑到信号捕获灵敏度,高轨弱信号接收机一般为单频GNSS接收机,因此需要进一步对单频信号误差特征进行研究。此外,对大椭圆轨道的星载GNSS弱信号应用,卫星可从导航星座之上飞越至低轨高度处,其误差精化也有待进一步研究;且摄动力变化复杂,远地点与近地点附近所受主要摄动力不同,几何观测强度随轨道高度变化显著。因此对于高效的轨道积分算法和GNSS弱信号实时定轨方法的研究,也是大椭圆航天器高轨GNSS应用中的难点之一。基于此,本文主要研究星载GNSS弱信号高轨航天器精密定轨理论方法。从星载GNSS弱信号观测数据质量分析、几何观测模型建立、轨道动力学模型与积分方法、事后及实时精密定轨验证分析等方面开展,研究高轨TJS-2卫星的实测GPS弱信号观测值的数据质量,分析观测值中含有的系统误差特性,为几何模型和随机模型的建立奠定基础;分析大椭圆轨道重力场摄动力随轨道高度变化的特性,研究适合大椭圆轨道下重力场阶数自适应调整的轨道积分方法;研究高轨弱信号GNSS实时定轨方法并研制原型软件,为星载GNSS高轨航天器自主导航提供支撑。具体研究工作及主要贡献包括以下几点:1)系统研究了星载GNSS高轨航天器精密定轨理论方法,分析了高轨航天器摄动力特征,研究了高轨卫星星载GNSS观测值DOP特性,为实测数据精密定轨和误差建模奠定基础。2)分析了高轨GNSS弱信号观测值误差特性,发现了TJS-2高轨卫星星载GNSS弱信号相位观测值中存在恒星日周期相关的系统误差。以此为基础,建立了基于周期特性的恒星日改正模型。实测数据验证表明,模型改正后验后相位残差RMS值由245.8mm减小到了82.1 mm,提升66.6%。同时也发现,在接收机对信号的跟踪过程中受掩星效应的影响,导致部分伪距观测值中引入了某种偏差,可直接影响到接收机钟差的调整,进而损坏同一时间观测到的其他导航星的数据质量,这一发现可为国产高轨GNSS接收机的改善和升级提供参考。3)研究了大椭圆轨道低轨段单频GNSS信号误差精化方法,特别是大椭圆轨道低轨段电离层延迟、导航卫星星历误差等几何误差消弱方法。论文提出附加斜距误差参数的半参数法观测模型,可实现在相位观测值域进行约束,有效分离残余的周期性误差。低轨段模拟仿真表明:单频相位验后残差降低至毫米级,而单频实时定轨精度从0.68 m减小至0.37 m,提升达45%。4)研究了大椭圆HEO摄动力变化特征及轨道动力学积分方法。针对大椭圆轨道在不同轨道高度下所受主要摄动力不同的特性,提出大椭圆轨道自适应变步长积分与实时定轨方法。该方法克服传统单步法积分效率低,多步法步长固定的不足,并通过对预报值的误差修正进一步提高轨道积分的稳定性,并利用随轨道高度变化的重力场阶数调整策略,加强实时定轨的自适应能力以提高运算效率。仿真实验表明,步长修正次数减小了22.6%,由原来的平均29.2分钟调整一次增大到平均37.4分钟调整一次;此外,积分三维误差也由最大7.2 cm减小到2 cm以内。5)研究了星载GNSS弱信号的高轨航天器事后处理精密定轨方法,并采用TJS-2卫星和嫦娥五号试验飞行器（CE-5T）实测数据开展了精度验证。研究表明:高轨卫星（TJS-2）长弧段定轨,非差法重叠轨道精度为1.3 m,历元间差分法可有效削弱慢变几何误差的影响,定轨精度优于0.7 m;而在高轨航天器（CE-5T）短弧段定轨中,历元间差分法对误差敏感性较强,定轨精度仅为12 m,而非差法定轨精度可达到7.1 m。6)在PANDA软件的基础上,研制了星载GNSS弱信号大椭圆轨道航天器实时定轨原型软件。利用TJS-2高轨星载GPS弱信号观测数据进行实时定轨仿真,仿真结果表明,采用GPS广播星历定轨,并通过对弱信号相位观测值中的误差进行模型改正,切向、法向和径向收敛时间分别为10小时、6小时和16小时;收敛后,切向、法向和径向的定轨精度分别为0.51m、0.37 m和0.42 m,三维精度为0.76 m;嫦娥五号试验飞行器（CE-5T）返回段实时定轨,切向、法向和径向的位置RMS分别为8.40 m、4.56 m、11.75 m,三维精度为15.14 m。