DORIS系统卫星定轨方法研究

论文摘要

DORIS是法国研制的一套先进的地基卫星轨道跟踪测量系统。该系统不仅能提供1到3厘米的事后精密轨道（径向）,还能提供分米量级的实时轨道。DORIS系统的成功应用对改善我国地基卫星轨道跟踪测量系统提供了一个很好的方向。不过,国内对该系统的研究起步晚,研究还不够深入,很多关键技术尚不清楚。本文以DORIS系统为研究背景,研究了DORIS定轨技术,重点研究了DORIS实时定轨方法,主要内容包括四部分:第一,研究了DORIS系统卫星精密定轨原理。首先,推导了DORIS系统的测量方程,研究了测量方程中测站与卫星间频偏的变化规律。然后,建立了DORIS系统卫星精密定轨的缩减动力学模型。最后,对SPOT-5和JASON-2卫星进行定轨,与IDS公布的精密轨道对比结果表明径向精度分别为2.3cm和2.5cm,达到了当前国际水平。第二,研究了DORIS系统卫星实时定轨方法,重点研究了单通道条件下的实时定轨情况。根据EKF滤波的基本理论,完整的推导了DORIS系统卫星实时定轨的滤波公式。仿真了DORIS测量数据,对比分析了仿真数据和实测数据的特点。实时定轨结果表明单通道条件下仅使用一个测站的数据滤波无法收敛;测量数据在测站间切换时滤波迅速收敛;增加接收机通道数可以提高,但不能大幅提高实时轨道精度。第三,研究了DORIS系统实测数据中的频偏估计方法。分析了实测数据中的各种误差项,指出了频偏是实测数据中的最大误差项,并在频偏初值未知的情况下,提出了一种估计频偏参数的方法。利用该方法估计频偏,用40阶重力场模型,并考虑太阳和月球的三体引力,处理了SPOT-5卫星10天的在轨数据。定轨结果与IDS公布的精密轨道比对径向精度为22.3cm,切向精度为60.5cm,法向精度为38.5cm,三维精度为75.4cm。径向精度与SPOT-5卫星的实际定轨精度相当。第四,研究了利用正交试验设计优化DORIS实时定轨滤波参数的方法。该方法将滤波轨道的三维精度作为试验指标,将滤波参数——过程噪声和测量噪声方差作为试验因素,首先估计试验因素的取值范围,然后根据试验因素的取值范围确定试验因素的水平。以SPOT-5卫星为试验对象,试验结果表明,与一般的噪声方差方案相比通过试验设计确定的噪声方差方案能够提高滤波的精度,该噪声方差方案实时定轨的三维精度为54cm,接近该卫星的实际定轨精度。

论文目录

• 图目录
• 表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 主要创新
• 第2章 DORIS 系统卫星精密定轨
• 2.1 测量方程及误差修正
• 2.2 轨道模型参数解算
• 2.3 轨道动力学模型及参数选取
• 2.4 定轨结果分析
• 2.5 小结
• 第3章 DORIS 系统卫星实时定轨方法与仿真分析
• 3.1 DORIS 系统卫星实时定轨方法
• 3.1.1 实时定轨滤波的状态方程和测量方程
• 3.1.2 实时定轨滤波器设计
• 3.2 DORIS 系统数学仿真
• 3.2.1 仿真过程
• 3.2.2 测量数据特性分析
• 3.3 仿真数据实时定轨与结果分析
• 3.3.1 单通道条件下的实时定轨
• 3.3.2 双通道条件下的实时定轨
• 3.4 小结
• 第4章 DORIS 系统卫星在轨数据实时定轨
• 4.1 DORIS 系统卫星在轨数据频偏估计
• 4.1.1 频偏估计方法
• 4.1.2 实测数据频偏结果
• 4.1.3 实测数据实时定轨结果分析
• 4.2 实时定轨滤波参数优化
• 4.2.1 确定试验因素和试验因素的取值范围
• 4.2.2 试验方案及试验结果
• 4.2.3 确定优方案
• 4.3 小结
• 第5章 结束语
• 5.1 主要工作和创新点
• 5.2 相关研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在学期间的研究工作