星载GPS自主定轨理论及其软件实现

论文摘要

随着我国航天科技的发展,航天任务不断增加,传统的地面测控系统一直处于高负荷工作状态。尤其是近年来迅猛发展的小卫星,需要全弧段高精度的轨道参数。如果仍采用地面测控系统测定全球覆盖的小卫星轨道,不仅消耗的费用与日俱增,而且地面站的布局难以达到全球覆盖。因此,发展高精度的航天器自主定轨技术迫在眉睫。GPS卫星导航系统的发展和完善、精密轨道确定理论与方法的发展、星载GPS接收机技术的改进,为高精度自主定轨理论的研究创造了有利的条件。然而受星上处理器有限的计算能力和轨道参数的实时确定等条件限制,自主定轨理论与精密定轨存在着很大的区别。本文在现有轨道确定的理论基础上,针对自主定轨系统的工作环境,从理论上建立了星载GPS测量进行米级精度的自主定轨算法,在实践上成功研制出星载GPS自主定轨软件——SATODS。用大量的星载GPS实测数据模拟自主定轨试验,结果表明,使用GPS广播星历,低轨卫星自主定轨可以达到±1.53.0米的轨道精度,±3毫米/秒的速度精度;而且自主定轨软件可以应用于轨道机动期间的实时轨道确定。具体的研究内容和主要贡献如下:1、在简要总结动力学定轨基本理论的基础上,通过数值模拟计算分析,提出了用4阶Runge-Kutta-Fehlberg单步积分法作为自主定轨系统的轨道积分方法,并用直接法计算状态转移矩阵。考虑到星上处理器有限的计算能力,论文对自主定轨系统进入工程应用的几个关键问题进行了细致研究。其中包括:在需要大量计算耗时的地球引力加速度计算中,引入了优化递推算法;针对不同轨道高度（低轨卫星）,用大量数值积分模拟计算,在不影响轨道精度的情况下,确定合理的重力场模型的阶次和摄动力模型的取舍,确定合理的数值积分步长;给出了与轨道积分相等精度的5阶Hermite多项式轨道内插算法,实现高密度的轨道输出。2、因为星载GPS接收机在地球的电离层中间运行,且其速度为每秒几公里,所以星载GPS测量与地面GPS测量存在一定的差异。本文详细讨论了星载GPS测量的各项误差源及其改正模型,给出了适用于单频星载GPS测量的电离层改正模型。推导了星载GPS伪距观测数据的实测精度的评价方法,用CHAMP和SAC-C星载GPS实测数据进行了验算,为自主定轨的观测噪声协方差矩阵确定以及精密定轨的观测数据加权提供了依据。3、结合自主定轨的轨道预报信息,提出了伪距粗差的探测方法——新息序列探测法。用该方法对星载GPS实测数据进行了处理,结果表明,CHAMP和SAC-C卫星的伪距粗差观测值所占的比例分别达到1.2%和3.0%。如果不加以探测和剔除,几何法实时定轨将出现几百米甚至上千米的轨道偏差。新息序列探测法已经应用于星载GPS自主定轨软件,提高了自主定轨系统的定轨精度和稳定性。4、讨论了几何法实时确定卫星轨道和卫星速度的原理,用星载GPS实测数据进行了模拟试验,总结了几何法实时定轨作为卫星的自主定轨系统存在因观测中断无法定轨、轨道预报精度差等主要问题。5、在卡尔曼滤波的理论基础上,充分考虑了引起卡尔曼滤波发散的主要原因,提出了星载GPS自主定轨的揉合算法——DMC-UDEKF算法。在此理论基础上,使用标准C/C++编程语言,自主研制出一套星载GPS自主定轨软件SATODS。并用大量的星载GPS实测数据进行模拟自主定轨的试验,该算法和软件能够达到±1.53.0米轨道精度和±3毫米/秒的速度精度,与国外的自主定轨软件精度水平相当。而且SATODS软件具有较强的可移植性、源代码简洁、占用内存少和运行速度快等特点。在本文的研究成果中,主要创新点可总结为:（1）提出了星载GPS伪距粗差探测方法——新息序列探测法。新息序列探测法与自主定轨系统滤波测量更新阶段的粗差检验方法相结合,不仅可以消除星载GPS伪距观测值的粗差,而且可以消除质量较差的GPS广播星历和钟差对自主定轨系统的影响。（2）提出了星载GPS测量自主定轨的揉合算法,它是动力学定轨理论、动力学补偿算法、推广卡尔曼滤波、U-D分解滤波与星载GPS观测模型等理论的集成应用。用大量的星载GPS实测数据模拟自主定轨计算表明,该算法不仅能够达到±1.53米的实时定轨精度,而且具有轨道机动期间的实时定轨能力。（3）成功研发了星载GPS自主定轨软件SATODS,该软件已成功地对大量的星载GPS实测数据进行了模拟自主定轨计算。软件具有较强的可移植性、代码简洁、占用内存少和运行速度快等特点。星载GPS自主定轨理论的建立和软件的成功研制,填补了我国在星载GPS自主定轨方面的一项空白,有助于推动GPS在我国航天领域的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 卫星自主定轨的发展
• 1.3 星载GPS自主定轨的可行性分析
• 1.4 星载GPS应用发展与自主定轨研究的现状
• 1.4.1 星载GPS应用的发展
• 1.4.2 星载GPS自主定轨技术研究的现状
• 1.5 本文的研究目标与研究内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 主要研究内容
• 第二章 自主定轨的动力学理论
• 2.1 时间系统及其转换关系
• 2.1.1 时间系统
• 2.1.2 时间系统间的转换关系
• 2.2 坐标系统及其转换关系
• 2.2.1 坐标系统
• 2.2.2 坐标系统间的转换关系
• 2.3 动力学模型
• 2.3.1 保守力
• 2.3.2 非保守力
• 2.3.3 经验力模型
• 2.4 卫星运动方程及其数值解法
• 2.4.1 卫星运动方程
• 2.4.2 卫星运动方程的数值解法
• 2.4.3 状态转移矩阵计算
• 2.5 自主定轨系统实现的几个关键问题
• 2.5.1 重力场模型的优化算法
• 2.5.2 摄动力模型的综合取舍
• 2.5.3 积分步长的确定
• 2.5.4 轨道内插算法
• 2.6 本章小结
• 第三章 自主定轨的卡尔曼滤波方法
• 3.1 线性离散系统的卡尔曼滤波
• 3.2 推广卡尔曼滤波（EKF）
• 3.3 白噪声驱动的有色动态噪声的卡尔曼滤波
• 3.4 自适应滤波
• 3.4.1 Sage自适应滤波
• 3.4.2 稳健自适应滤波
• 3.5 U-D分解滤波
• 3.5.1 Bierman U-D测量更新算法
• 3.5.2 Thornton U-D时间更新算法
• 3.6 本章小结
• 第四章 星载GPS观测模型与几何法实时定轨
• 4.1 星载GPS观测量
• 4.1.1 基本观测量
• 4.1.2 载波相位平滑伪距观测量
• 4.2 星载GPS测量误差改正模型
• 4.2.1 与卫星有关的误差
• 4.2.2 与信号传播有关的误差
• 4.2.3 与接收机有关的误差
• 4.3 星载GPS几何法实时定轨
• 4.3.1 几何法实时定轨原理
• 4.3.2 几何法实时定轨实例与结果分析
• 4.3.3 几何法实时定轨存在的主要问题
• 4.4 本章小结
• 第五章 星载GPS自主定轨模型与模拟分析
• 5.1 动力学模型补偿算法
• 5.2 星载GPS自主定轨系统的数学模型
• 5.2.1 状态方程
• 5.2.2 观测方程
• 5.2.3 星载GPS接收机钟差模型
• 5.2.4 自主定轨系统的数学模型
• 5.3 星载GPS自主定轨模拟试验与结果分析
• 5.3.1 DMC算法对滤波器性能的影响
• 5.3.2 动力学模型的选择对自主定轨精度的影响
• 5.3.3 随机参数的设定对自主定轨的影响
• 5.3.4 轨道机动期间的自主定轨系统性能
• 5.3.5 自主定轨系统的性能评定
• 5.4 本章小结
• 第六章 星载GPS自主定轨的软件研制
• 6.1 星上微处理器的当前状况
• 6.2 SATODS软件的设计
• 6.2.1 编程语言的选择
• 6.2.2 SATODS软件的模块及其功能
• 6.2.3 SATODS软件的流程
• 6.3 SATODS软件介绍
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 研究内容与成果总结
• 7.2 研究成果的创新点
• 7.3 星载GPS自主定轨的展望
• 参考文献
• 附件:博士期间发表的论文和参加的科研项目
• 致谢