单颗导航卫星及探月飞行器的轨道确定研究

论文摘要

继美国的全球定位系统（Global Position System—GPS），俄罗斯的GLONASS系统，以及欧盟的Galileo计划之后，中国也正在筹建自己的下一代全球卫星导航定位系统。导航卫星的轨道信息是定位的基本要素，其误差会直接影响到用户定位的精度。本文采用数值仿真和实测数据分析相结合的方法，考察了在导航星座只有一颗卫星时，不依赖于时间同步系统的卫星定轨策略和精度分析。本文并没有利用地面跟踪站观测数据中的钟差信息，也没有去估算相关钟差，而是直接采用历元间差分算法，即将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据，进而消除钟差的主项（低频）误差，并对积分Doppler数据建立测量模型。仿真分析表明，此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛，并且相比于直接利用伪距资料定轨（不解算钟差参数），该算法可以提高定轨和轨道预报精度。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度，本文利用实测的GPS数据进行轨道确定计算。首先，随机选取了GPS星座中的PRN-02星，详细分析了不同的观测弧段、台站分布、观测类型、观测精度、以及不同的先验轨道误差时的卫星定轨情况。最后，我们选取GPS星座中的多颗卫星进行定轨计算和统计分析。计算结果表明：在不解算卫星钟差的前提下，采用历元间差分算法，利用国内观测台站三天的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨，其平均径向精度优于10米，利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13.8米。此外，针对我国正在实施的探月计划“嫦娥一号”工程，本文采用仿真模拟计算的方法，在我国USB测控网和VLBI跟踪网的现有空间分布和尽可能接近真实情况的测量误差源的前提下，采用统计打靶的方法对影响环月、落月飞行器定轨精度的主要误差源进行讨论和分析，结果表明：月球重力场误差是影响探月飞行器定轨精度的主要误差源，采用减缩动力学法定轨能够吸收部分月球重力场误差，可以明显提高探月飞行器的定轨精度和轨道预报精度。最后，探讨了观测资料类型、飞行器轨道类型、月球重力场误差以及观测高度角等对探月飞行器定轨精度的影响，并得出了一些有用的结论。

论文目录

• 致谢
• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 卫星导航系统的发展
• 1.1.1 全球卫星导航系统
• 1.1.2 我国的卫星导航系统
• 1.2 导航卫星定轨现状
• 1.2.1 导航卫星地面定轨现状
• 1.2.2 导航卫星自主定轨现状
• 1.3 本文研究的目的和主要内容
• 第二章 轨道理论
• 2.1 参考系统
• 2.1.1 时间系统
• 2.1.2 坐标系统
• 2.2 测量模型与动力学模型
• 2.2.1 测量模型
• 2.2.2 动力学模型
• 2.3 统计定轨理论
• 2.3.1 运动方程
• 2.3.2 状态方程
• 2.3.3 观测方程
• 2.3.4 估值方法
• 2.4 定轨软件
• 2.4.1 仿真软件的编写
• 2.4.2 综合定轨软件GEODYN II简介
• 第三章 单颗导航卫星轨道确定模拟仿真
• 3.1 引言
• 3.2 仿真方法
• 3.2.1 参考轨道和模拟观测数据的产生
• 3.2.2 精度评估
• 3.2.3 仿真计算的具体步骤
• 3.3 伪距资料定轨
• 3.3.1 不同台站分布时的定轨情况
• 3.3.2 不同观测弧段时的定轨情况
• 3.3.3 先验轨道误差放大三倍
• 3.4 多普勒资料定轨
• 3.4.1 不同台站分布时的定轨情况
• 3.4.2 不同观测弧段时的定轨情况
• 3.5 伪距和多普勒资料联合定轨
• 3.5.1 国内5个台站3天弧段定轨结果
• 3.5.2 先验轨道误差放大三倍
• 3.6 本章小结
• 第四章 单颗导航卫星的轨道确定
• 4.1 引言
• 4.2 数据预处理
• 4.3 精度评估
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 国内资料定轨
• 4.4.2 全球资料定轨
• 4.4.3 先验轨道误差对定轨精度的影响
• 4.4.4 共它卫星定轨
• 4.5本章小结
• 第五章 环、落月飞行器定轨预报精度分析
• 5.1 引言
• 5.2 月球重力场误差
• 5.3 仿真方法
• 5.3.1 “真实轨道”与模拟观测数据的产生
• 5.3.2 仿真计算的具体步骤
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 200×200环月轨道
• 5.4.2 200×15落月轨道
• 5.4.3 其它因素分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录