CHAMP卫星定轨方法研究

论文摘要

在卫星导航系统的研究中，轨道的精密确定和预报是卫星导航系统正常运行的基础，轨道精度也是衡量卫星导航系统性能的一个重要指标，而利用导航星座进行低轨卫星精密定轨是目前应用领域最前沿的方向。如何提高低轨卫星的轨道精度是目前卫星导航技术研究的一大重要课题。 本文首先系统研究了卫星精密定轨的基础理论，包括时间系统和坐标系统以及卫星运动方程中的摄动力模型，然后分析采用不同摄动力模型在星载GPS低轨卫星定轨中的影响量级，接着进行星载GPS观测数据的预处理，最后利用作者自主开发的程序，分别从几何定轨、动力法定轨以及卡尔曼滤波定轨三个方面实现星载GPS低轨卫星的定轨，并达到一定的精度。 本文主要包括以下研究内容： 1、系统研究卫星精密定轨的时间系统和坐标系统：结合卫星定轨的实际要求，讨论了各系统之间的转换关系，对在精密定轨中如何使用JPL星历数据进行定轨参数的计算进行了阐述，并给出了基本框图和详细的公式。 2、运动学方程中摄动力模型研究：卫星运动的动力学模型是卫星精密定轨的基本物理模型，也是动力法进行卫星定轨的基本出发点。本论文详细介绍了描述卫星运动状态的各种动力学模型，给出了详细的推导公式，特别分析了各摄动力模型在运动方程中的作用，对各模型对运动方程的影响大小进行分析。利用GFZ提供的CHAMP卫星实测数据，分析不同模型对低轨卫星定轨的影响，得出了一些有用的结论。 3、系统分析了星载GPS定轨中数据质量控制的问题，给出了GPS非差观测值的线性组合，详细介绍了星载GPS非差观测数据预处理。首先介绍载波相位和伪距的观测模型，讨论了关于周跳的几种探测方法，接着利用线性组合进行周跳探测和粗差剔除，利用经过预处理的载波相位对伪距进行平滑，得到较为精确的观测值，最后通过CHAMP卫星两个弧段的观测值对其进行验证，结果显示观测弧段的精度得到一定的改善。本文还对CHAMP卫星加速度计数据的预处理进行了详细的讨论，通过卫星加速度数据的标校、仪器坐标系和惯性系之间的坐标转换，加速度改正数的归算以及姿态数据间断的处理这几个方面的研究，得到了经过预处理后的非保守力加速度数据，并将其用于后面的动力法精密定轨中。最后通过实例说明，关于CHAMP卫星加速度计数据的预处理是有效的。这为后面的动力学定轨提供了非保守力模型的加速度数据。 4、星载GPS低轨卫星几何定轨：首先分别介绍了基于测码伪距、基于相位

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 低轨卫星定轨研究进展
• 1.2 星载GPS低轨卫星定轨研究进展
• 1.3 CHAMP卫星定轨研究进展
• 1.4 本文研究的目的和意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 时间系统和坐标系统
• 2.1 时间系统
• 2.1.1 世界时系统
• 2.1.2 原子时（Atomic Time—AT）
• 2.1.3 世界协调时（Universal Time Coordinated—UTC）
• 2.1.4 力学时（Dynamic Time—DT）
• 2.1.5 GPS时间（GPS Time—GPST）
• 2.1.6 历书时（Ephemeris Time—ET）
• 2.2 时间系统之间的转换
• 2.2.1 由UTC到IAT和ET的转换
• 2.2.2 由UTC到UT1的转换
• 2.2.3 由UT1到恒星时的转换
• 2.2.4 儒略日和格里历日期之间的转换
• 2.3 坐标系统
• 2.3.1 天球坐标系
• 2.3.2 地球坐标系
• 2.3.3 卫星坐标系
• 2.3.4 RTN坐标系
• 2.3.5 地心拱线坐标系
• 2.4 坐标系之间的转换
• 2.4.1 天球坐标系间的转换
• 2.4.2 天球坐标系与地球坐标系的转换
• 2.4.3 地球坐标系间的转换
• 2.4.4 2000.0惯性坐标系与卫星坐标系和RTN坐标系的转换
• 2.4.5 地心拱线坐标系与惯性系之间的转换
• 2.5 JPL星历数据的使用方法
• 2.5.1 切比雪夫多项式
• 2.5.2 天体位置的计算
• 第3章 卫星运动方程及其动力学模型
• 3.1 二体问题
• 3.1.1 二体问题的加速度
• 3.1.2 偏导数
• 3.2 N体问题
• 3.2.1 N体问题的摄动加速度
• 3.2.2 对卫星位置矢量的偏导数
• 3.3 地球非球形摄动和潮汐摄动
• 3.3.1 地球非球形摄动
• 3.3.2 固体潮摄动
• 3.3.3 海潮摄动
• 3.3.4 大气潮汐摄动
• 3.3.5 地球非球形部分和潮汐摄动的加速度
• 3.4 相对论效应摄动
• 3.5 太阳辐射压力
• 3.5.1 地影和月影计算
• 3.5.2 太阳辐射摄动加速度
• 3.6 地球反照和红外辐射压力
• 3.7 大气阻力
• 3.7.1 高层大气的变化
• 3.7.2 大气密度模型及其对卫星位置矢量的偏导数
• 3.7.3 大气阻力摄动加速度
• 3.8 经验RTN摄动
• 3.9 摄动力加速度大小分析
• 3.9.1 重力场模型分析
• 3.9.2 第N体引力分析
• 3.9.3 大气阻力模型分析
• 3.9.4 光压模型分析
• 3.9.5 其他摄动力模型分析
• 3.9.6 各摄动力模型综合分析
• 3.10 本章小结
• 第4章 观测数据预处理
• 4.1 引言
• 4.2 GPS非差观测值的线性组合
• 4.2.1 消除电离层折射的线性组合（Ionosphere-free）
• 4.2.2 无几何影响的线性组合（Geometry-free）
• 4.2.3 宽巷线性组合（Wide-lane）
• 4.2.4 Melbourne-Wubbena的线性组合
• 4.3 星载GPS非差数据预处理
• 4.3.1 非差数据自动编辑的基本原理
• 4.3.2 数据预处理过程
• 4.3.3 实例说明
• 4.4 CHAMP卫星加速度计数据的预处理
• 4.4.1 计算惯性系下非保守力摄动加速度
• 4.4.2 加速度改正数的归算
• 4.4.3 姿态数据间断的处理
• 4.4.4 非保守力加速度数据实例说明
• 4.5 本章小结
• 第5章 星载GPS低轨卫星几何法定轨
• 5.1 星载GPS几何法定轨的概述
• 5.2 基于测码伪距的星载GPS低轨卫星几何法定轨
• 5.3 基于相位平滑伪距的星载GPS低轨卫星几何法定轨
• 5.4 基于双频相位及伪距联合的星载GPS低轨卫星几何法定轨
• 5.5 IGS精密星历和钟差的处理
• 5.6 几何定轨方法的流程
• 5.7 几何定轨方法的应用算例
• 5.8 本章小结
• 第6章 星载GPS低轨卫星动力学定轨
• 6.1 运动方程
• 6.2 轨道估值方法
• 6.2.1 状态方程
• 6.2.2 观测方程
• 6.2.3 批处理算法
• 6.3 星载GPS低轨卫星定轨的基本观测模型
• 6.3.1 测码伪距观测方程
• 6.3.2 测相伪距观测方程
• 6.4 非保守力力学模型和加速度数据验证及算例分析
• 6.4.1 采用非保守力力学模型积分结果分析
• 6.4.2 采用实测非保守力加速度数据积分结果分析
• 6.5 动力法定轨应用算例
• 6.6 本章小结
• 第7章星 载GPS低轨卫星卡尔曼滤波定轨
• 7.1 引言
• 7.1.1 离散型卡尔曼滤波器的设计
• 7.1.2 推广卡尔曼滤波
• 7.1.3 自适应卡尔曼滤波方法
• 7.1.4 UD分解滤波算法
• 7.1.5 实际算例分析
• 7.2 星载GPS低轨卫星滤波模型
• 7.2.1 状态方程的建立
• 7.2.2 测量方程的建立
• 7.3 卡尔曼滤波模型误差的识别及检验
• 7.3.1 模型误差推导
• 7.3.2 模型误差检验
• 7.3.3 模型误差的适应消除及纠正滤波发散的方法
• 7.3.4 系统模型的误差
• 7.3.5 滤波器初始状态的确定
• 7.4 卡尔曼滤波抗差处理
• 7.4.1 抗差自适应卡尔曼滤波
• 7.4.2 特例
• 7.4.3 改进的抗差自适应卡尔曼滤波
• 7.4.4 应用实例
• 7.5 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 本文主要工作及贡献
• 8.2 后续工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A DTM大气模型展开式系数
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果