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当前,导航星座系统是一种非常重要的空间战略资源,是显示一个国家综合实力的重要标志,是占据军事、交通和数字及信息技术战略高地的必备手段。
导航星座的轨道精度是评定其优劣的最重要的指标之一。以GPS为代表的卫星导航系统精密定轨技术已相当成熟,但时至今日,导航卫星轨道还是由分布在全球的地面监控站提供因为自主导航能在长时期失去地面监控站观测情况下,利用卫星间距离、速度观测,可以继续维持星座的导航定位坐标系统,以提供导航服务,美国军方从上世纪八十年代中后期就持续进行GPS的自主导航研究,取得一系列成果。目前在轨运行的具有自主定轨功能的GPSBLOCKIIR卫星已达10颗以上。随着我国第二代导航卫星定位系统的建立和发展,导航卫星的自主定轨功能已成为迫切需要〔刘经南、张文涛，2001)。本论文的核心内容就是利用有限的文献资料,开展导航卫星的自主定轨理论、计算方法、数据模拟等方面的研究工作,以实现导航卫星长时间提供有效导航的能力。本文主要工作和结论如下：
1、回顾了卫星定轨技术的发展历程,并对GPS卫星系统的地面定轨技术和自主定轨技术进行了阐述。虽然自主定轨不能消除星座旋转误差和整体钟误差(AutoNavensembleclockerrors,绝对钟差),但通过有效的滤波算法,可以减小系统误差和星座旋转误差及整体钟误差的累积,保证长期维持自主导航能力。
2、要实现导航卫星的自主定轨,卫星间就必须建立观测链路。卫星定轨中最常用的个观测量分别是径向距离及距离变化率文中针对卫星间可能采取的激光测距、无线电测距、测速等手段的优缺点进行论述,说明了卫星间应采用微波技术,以被动式、单向、双频、伪码手段进行观测。
3、根据导航卫星的特点,提出了可将自主定轨分为三种观测模式及数据处理模式,分别为独立模式、分组模式、统一模式。三种模式均可实现导航卫星的自主定轨功能,各种模式对数据的观测、处理、卫星间的通讯等方面有着不同的要求。
4、导航卫星间观测信号在发射、传播、接收过程中产生的误差主要有卫星钟差、卫星天线相位偏差、对流层误差、电离层误差、多路径误差、接收信号噪声。卫星钟差需要专门的钟滤波器予以消除卫星天线相位偏差根据不同的卫星型号给予改正：对流层误差与地面站所受的影响不同,自主定轨观测值中受其影响的比例很小,可将这部分观测值剔除；电离层误差的一阶项可以采用双频技术消除：信号噪声在滤波计算中消除；多路径误差一般会比地面站所受影响小,消除多路径的影响可以采用硬件和软件两种方法。
5、本文较系统地论述了导航卫星自主定轨的理论和方法对自主定轨有关的一系列参考系统：时间系统、坐标系统和力模型系统进行了较详细的叙述,它们构成了卫星自主定轨的理论实施基础。
6、本文建立卫星间的距离及速度观测值与卫星的动力学方程及变分方程解之间的严密函数关系,有效地实现了卫星间观测方程线性化。同时证明导航卫星自主定轨中,卫星坐标近似值精度保持在100m以内时,取到泰勒级数的一次项,已能满足要求线性化精度要求。
7、为了快速、准确地解算大批盘卫星间观测方程,并有效地克服自主定轨模型误差及方程的线性化误差,预防法方程计算中的滤波发散等问题,提出了自适应静态逐次滤波方法;实验结果表明,采用该滤波方法,不但保证滤波不发散,而且这种算法在实现时比较简单,估计参数精度也比较高。
8、初步建立了导航卫星自主定轨的模拟研究平台。作者开发出的自主定轨程序,主要由以下模块组成：星间观测距离模拟模块；星—星测距滤波定轨模块；定轨结果分析模块；多天轨道综合模块。这些模块的有机结合,保证了自主定轨模拟实验的顺利进行。
9、在利用星—星测距进行定轨研究时,为了得到多天观测数据估计出一天轨道的目的,我们采用了多天轨道拟合算法,其综合结果与IGS最终精密星历结果相吻合,证明本文实现轨道拟合方法是正确的.
10、本文针对自主定轨前后两个坐标系统之间的“飘移”关系,采用Helment变换及假设检验方法,求出两坐标系统间的显著性参数。并根据美国对GPS卫星导航精度的要求,提出了评价自主定轨前后坐标框架的统一性评价标准。
通过两种不同初值、时间长达60天的自主定轨实验,利用变换求出定轨前后两坐标系统的三种转换参数,其中平移参数和尺度参数不显著或很小;而旋转参数在各坐标轴方向上随着时间的推移,均存在持续增长趋势,但仍在容许的范围内。表明整个星座坐标框架能很好地维持在定轨前的框架内。
自主定轨后坐标系统旋转参数增大的主要原因在于地球重力场的J2项、太阳月亮的摄动影响、初始定轨条件等造成卫星轨道升交点的变化,从而使整个星座整体性转动[M.P.Ananda,H.Bernstein,K.E.Cuningham,1990]。实验数据同时也说明自主定轨不能修正导航星座的整体旋转误差,以及确定地球自转参数,即:极移和UT1的变化。
11、根据编制的软件模块,利用GPS相关的实测数据,设计了一系列实验。各种模拟结果主要以表格和图形的形式给出,并作了必要的分析说明。
模拟实验主要包括:观测方差的选取、不同先验方差的选取、星间测距采样间隔及自主定轨单天的精度、IGS快速精密星历作初值自主定轨30天的结果、全球广播星历作初值自主定轨60天的结果。
利用全球广播星历作自主定轨初值,滤波后发现各卫星误差统计项精度有较大的提高,所有卫星的单天轨道RMS均小于1.0m，所有轨道的最大偏差只有2.0m，说明最差情况下，单天自主定轨精度也能达到2.0m的精度要求。
以IGS快速精密星历作为定轨初值,自主定轨后,各坐标轴方向的误差,随着时间的延长,而不断增大。各卫星的轨道精度平均每10天下降30cm左右,若按此下降速度,在180天后,整个卫星星座的轨道精度(RMS)应能保证在6m的范围内。
以全球广播星历作为定轨初值,在自主定轨50天后,卫星的轨道精度还能保持较高的精度,即基本上与全球广播星历的精度(轨道误差在6m～10m范围内)相当。各卫星的轨道精度随着时间的推移,存在总体下降的趋势。
根据不同的实验可得出以下结论：利用卫星间测距技术,进行导航卫星系统的自主定轨,能较长时间地维持卫星坐标系统的高精度,实现无地面跟踪站支持情况下,卫星的自主导航服务。
本文最后根据研究体会提出了有待进一步研究的内容。
导航星座的轨道精度是评定其优劣的最重要的指标之一。以GPS为代表的卫星导航系统精密定轨技术已相当成熟,但时至今日,导航卫星轨道还是由分布在全球的地面监控站提供因为自主导航能在长时期失去地面监控站观测情况下,利用卫星间距离、速度观测,可以继续维持星座的导航定位坐标系统,以提供导航服务,美国军方从上世纪八十年代中后期就持续进行GPS的自主导航研究,取得一系列成果。目前在轨运行的具有自主定轨功能的GPSBLOCKIIR卫星已达10颗以上。随着我国第二代导航卫星定位系统的建立和发展,导航卫星的自主定轨功能已成为迫切需要〔刘经南、张文涛，2001)。本论文的核心内容就是利用有限的文献资料,开展导航卫星的自主定轨理论、计算方法、数据模拟等方面的研究工作,以实现导航卫星长时间提供有效导航的能力。本文主要工作和结论如下：
1、回顾了卫星定轨技术的发展历程,并对GPS卫星系统的地面定轨技术和自主定轨技术进行了阐述。虽然自主定轨不能消除星座旋转误差和整体钟误差(AutoNavensembleclockerrors,绝对钟差),但通过有效的滤波算法,可以减小系统误差和星座旋转误差及整体钟误差的累积,保证长期维持自主导航能力。
2、要实现导航卫星的自主定轨,卫星间就必须建立观测链路。卫星定轨中最常用的个观测量分别是径向距离及距离变化率文中针对卫星间可能采取的激光测距、无线电测距、测速等手段的优缺点进行论述,说明了卫星间应采用微波技术,以被动式、单向、双频、伪码手段进行观测。
3、根据导航卫星的特点,提出了可将自主定轨分为三种观测模式及数据处理模式,分别为独立模式、分组模式、统一模式。三种模式均可实现导航卫星的自主定轨功能,各种模式对数据的观测、处理、卫星间的通讯等方面有着不同的要求。
4、导航卫星间观测信号在发射、传播、接收过程中产生的误差主要有卫星钟差、卫星天线相位偏差、对流层误差、电离层误差、多路径误差、接收信号噪声。卫星钟差需要专门的钟滤波器予以消除卫星天线相位偏差根据不同的卫星型号给予改正：对流层误差与地面站所受的影响不同,自主定轨观测值中受其影响的比例很小,可将这部分观测值剔除；电离层误差的一阶项可以采用双频技术消除：信号噪声在滤波计算中消除；多路径误差一般会比地面站所受影响小,消除多路径的影响可以采用硬件和软件两种方法。
5、本文较系统地论述了导航卫星自主定轨的理论和方法对自主定轨有关的一系列参考系统：时间系统、坐标系统和力模型系统进行了较详细的叙述,它们构成了卫星自主定轨的理论实施基础。
6、本文建立卫星间的距离及速度观测值与卫星的动力学方程及变分方程解之间的严密函数关系,有效地实现了卫星间观测方程线性化。同时证明导航卫星自主定轨中,卫星坐标近似值精度保持在100m以内时,取到泰勒级数的一次项,已能满足要求线性化精度要求。
7、为了快速、准确地解算大批盘卫星间观测方程,并有效地克服自主定轨模型误差及方程的线性化误差,预防法方程计算中的滤波发散等问题,提出了自适应静态逐次滤波方法;实验结果表明,采用该滤波方法,不但保证滤波不发散,而且这种算法在实现时比较简单,估计参数精度也比较高。
8、初步建立了导航卫星自主定轨的模拟研究平台。作者开发出的自主定轨程序,主要由以下模块组成：星间观测距离模拟模块；星—星测距滤波定轨模块；定轨结果分析模块；多天轨道综合模块。这些模块的有机结合,保证了自主定轨模拟实验的顺利进行。
9、在利用星—星测距进行定轨研究时,为了得到多天观测数据估计出一天轨道的目的,我们采用了多天轨道拟合算法,其综合结果与IGS最终精密星历结果相吻合,证明本文实现轨道拟合方法是正确的.
10、本文针对自主定轨前后两个坐标系统之间的“飘移”关系,采用Helment变换及假设检验方法,求出两坐标系统间的显著性参数。并根据美国对GPS卫星导航精度的要求,提出了评价自主定轨前后坐标框架的统一性评价标准。
通过两种不同初值、时间长达60天的自主定轨实验,利用变换求出定轨前后两坐标系统的三种转换参数,其中平移参数和尺度参数不显著或很小;而旋转参数在各坐标轴方向上随着时间的推移,均存在持续增长趋势,但仍在容许的范围内。表明整个星座坐标框架能很好地维持在定轨前的框架内。
自主定轨后坐标系统旋转参数增大的主要原因在于地球重力场的J2项、太阳月亮的摄动影响、初始定轨条件等造成卫星轨道升交点的变化,从而使整个星座整体性转动[M.P.Ananda,H.Bernstein,K.E.Cuningham,1990]。实验数据同时也说明自主定轨不能修正导航星座的整体旋转误差,以及确定地球自转参数,即:极移和UT1的变化。
11、根据编制的软件模块,利用GPS相关的实测数据,设计了一系列实验。各种模拟结果主要以表格和图形的形式给出,并作了必要的分析说明。
模拟实验主要包括:观测方差的选取、不同先验方差的选取、星间测距采样间隔及自主定轨单天的精度、IGS快速精密星历作初值自主定轨30天的结果、全球广播星历作初值自主定轨60天的结果。
利用全球广播星历作自主定轨初值,滤波后发现各卫星误差统计项精度有较大的提高,所有卫星的单天轨道RMS均小于1.0m，所有轨道的最大偏差只有2.0m，说明最差情况下，单天自主定轨精度也能达到2.0m的精度要求。
以IGS快速精密星历作为定轨初值,自主定轨后,各坐标轴方向的误差,随着时间的延长,而不断增大。各卫星的轨道精度平均每10天下降30cm左右,若按此下降速度,在180天后,整个卫星星座的轨道精度(RMS)应能保证在6m的范围内。
以全球广播星历作为定轨初值,在自主定轨50天后,卫星的轨道精度还能保持较高的精度,即基本上与全球广播星历的精度(轨道误差在6m～10m范围内)相当。各卫星的轨道精度随着时间的推移,存在总体下降的趋势。
根据不同的实验可得出以下结论：利用卫星间测距技术,进行导航卫星系统的自主定轨,能较长时间地维持卫星坐标系统的高精度,实现无地面跟踪站支持情况下,卫星的自主导航服务。
本文最后根据研究体会提出了有待进一步研究的内容。