【摘要】：自1995年4月27日美國GPS系統(tǒng)正式運(yùn)行以來,在近20年時間內(nèi)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)蓬勃發(fā)展。前蘇聯(lián)及隨后的俄羅斯、歐盟、中國、日本以及印度等國家和地區(qū)出于自身戰(zhàn)略安全和經(jīng)濟(jì)利益等需要相繼研發(fā)各自的全球或區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——GLONASS、Galileo、北斗、QZSS和IRNSS。多導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展不僅有助于用戶獲得更為穩(wěn)定和可靠的導(dǎo)航和授時服務(wù),而且有助于滿足大地測量等高精度領(lǐng)域的需求,但是其前提是提供在統(tǒng)一時空基準(zhǔn)下的高精度導(dǎo)航衛(wèi)星精密軌道和鐘差產(chǎn)品。 影響導(dǎo)航衛(wèi)星定軌精度的因素主要包括幾何和動力學(xué)兩類。多年來,國際和國內(nèi)學(xué)者對GNSS誤差改正模型進(jìn)行了大量而廣泛的研究,相應(yīng)動力學(xué)模型也在不斷完善和提高,上述研究促使當(dāng)前GPS和GLONASS衛(wèi)星定軌精度分別優(yōu)于2.5cm和3.0cm。但是北斗、Galileo和QZSS衛(wèi)星的出現(xiàn)為導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌的理論和方法研究帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇,主要包括：(1)基于三頻及以上頻率觀測值的導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌；(2)不同類型(GEO、IGSO和MEO)的導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌；(3)不同姿態(tài)控制模式(動態(tài)偏置和非動態(tài)偏置)下的導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌；(4)攜帶有高穩(wěn)定被動式氫鐘的Galileo-IOV衛(wèi)星的厘米級精密定軌。 本文在多模導(dǎo)航框架下研究姿態(tài)、光壓、相位中心以及觀測模型對導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌的影響,其中以提高北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在零偏以及偏航姿態(tài)轉(zhuǎn)換期間定軌精度為研究重點(diǎn)�？傮w來說,本文的主要研究工作和貢獻(xiàn)如下： (1)總結(jié)了現(xiàn)有GPS BLOCK II/IIA、GPS BLOCK IIR, GPS BLOCK IIF、GLONASS-M和QZSS Michibiki衛(wèi)星偏航姿態(tài)模型,并進(jìn)一步分析了衛(wèi)星偏航姿態(tài)對其精密定軌的影響�；趯�(shí)測數(shù)據(jù)以及逆動態(tài)精密單點(diǎn)定位算法估計(jì)了北斗IGSO和MEO衛(wèi)星偏航姿態(tài),相應(yīng)結(jié)果驗(yàn)證了北斗IGSO和MEO衛(wèi)星采用動偏和零偏兩種姿態(tài)控制模式。通過分析實(shí)際估計(jì)的北斗IGSO和MEO衛(wèi)星偏航姿態(tài),并在假設(shè)實(shí)際姿態(tài)與名義姿態(tài)差異最小時衛(wèi)星姿控模式發(fā)生轉(zhuǎn)變的條件下,首次得出當(dāng)軌道角為90。且太陽與軌道面夾角絕對值小于等于4。時北斗IGSO和MEO衛(wèi)星偏航姿態(tài)從動偏轉(zhuǎn)為零偏；相應(yīng)地,從零偏轉(zhuǎn)為動偏的條件為軌道角為90。且太陽與軌道面夾角絕對值大于等于4。。 (2)研究了僅與天底角以及與天底角和方位角相關(guān)的導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心偏差和變化估計(jì)的理論,以及天線相位中心改正對導(dǎo)航衛(wèi)星軌道、鐘差、對流層延遲、測站坐標(biāo)和框架尺度等參數(shù)的影響。基于2013年第150天至2014年第181天的實(shí)測數(shù)據(jù)確定了北斗IGSO、MEO和Galileo-IOV衛(wèi)星天線相位中心偏差(PCO)和僅與天底角相關(guān)的天線相位中心變化(PCV),.與歐洲空間局相應(yīng)結(jié)果比較表明兩者北斗IGSO和MEO衛(wèi)星天線PCV差異的標(biāo)準(zhǔn)差在1mm以內(nèi),但是PCO差異較大。具體而言,兩者IGSO和MEO衛(wèi)星X軸PCO差異分別為37.4mm和26.0mm,Z軸PCO差異則分別可達(dá)-50cm和12.1cm左右。通過對重疊軌道差異、測站坐標(biāo)和對流層參數(shù)的分析表明采用實(shí)際估計(jì)的天線相位中心改正能夠顯著提升北斗MEO和Galileo-IOV衛(wèi)星軌道重疊精度以及測站高程方向精度,但是對北斗IGSO衛(wèi)星軌道和測站對流層參數(shù)影響相對較小。 (3)比較和分析了動偏和零偏姿態(tài)模式下北斗GEO衛(wèi)星定軌精度,結(jié)果表明不同偏航姿態(tài)對GEO衛(wèi)星重疊軌道差異影響較小,但是顯著影響其絕對軌道精度。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步比較和分析了零偏姿態(tài)模式下不同光壓力對北斗GEO衛(wèi)星定軌的影響,結(jié)果表明通過估計(jì)CODE5參數(shù)和切向經(jīng)驗(yàn)常量加速度可以顯著提高重疊軌道精度,而基于可校正Box-wing模型可以獲得具有較高絕對精度的軌道。相關(guān)結(jié)果說明在現(xiàn)有幾何觀測條件下,通過構(gòu)建更為合適的光壓力模型可以進(jìn)一步提高北斗GEO衛(wèi)星定軌精度。 (4)深入研究了北斗IGSO和MEO衛(wèi)星在零偏和偏航姿態(tài)轉(zhuǎn)換期間定軌精度降低的機(jī)理和解決方法�；诜治鲂凸鈮毫蜔彷椛淞δＰ�,通過仿真分析動偏和零偏姿態(tài)模式下光壓力和熱輻射力變化表明姿態(tài)控制模式變化引起的北斗IGSO和MEO衛(wèi)星非保守力變化主要集中于切向和徑向。因此,本文提出在CODE模型中引入切向常量加速度參數(shù)以改善CODE光壓力模型對零偏模式下導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌的不適用性,定軌結(jié)果表明該方法能顯著提高零偏期間北斗IGSO和MEO衛(wèi)星定軌精度,且基本與動偏模式下定軌精度相當(dāng)。當(dāng)分段估計(jì)額外引入的切向常量加速度時,IGSO衛(wèi)星在姿態(tài)轉(zhuǎn)換期間定軌精度有較大提升。 (5)基于雙頻消電離層組合分別采用“一步法”和“兩步法”確定了在同一時空框架下的GPS、GLONASS、北斗和Galileo-IOV衛(wèi)星精密軌道和鐘差,與IGS最終軌道和鐘差產(chǎn)品比較表明本文所解算的GPS和GLONASS軌道和鐘差精度與GFZ和CODE最終產(chǎn)品精度相當(dāng),達(dá)到IGS所有分析中心上等水平。同時Galileo-IOV衛(wèi)星軌道也與其他分析中心精度相當(dāng),北斗衛(wèi)星軌道精度則相對較高。 (6)對于Galileo-IOV衛(wèi)星軌道分析表明其SLR殘差存在約-4-5cm的系統(tǒng)性偏差,并且衛(wèi)星鐘差線性擬合殘差RMS值和SLR殘差分別與太陽和衛(wèi)星軌道面夾角相關(guān),此外單天衛(wèi)星鐘差和SLR殘差呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)特性,并且SLR殘差分布與衛(wèi)星軌道角相關(guān)。上述現(xiàn)象表明當(dāng)前定軌中所采用的非保守力(特別是光壓力)模型并不適合于Galileo-IOV衛(wèi)星精密定軌,而利用鐘差和SLR數(shù)據(jù)可能是提高現(xiàn)有光壓模型的有效手段。此外,北斗C01和C10衛(wèi)星SLR殘差也表現(xiàn)出與軌道角相關(guān)的特性。 (7)基于不同鐘差基準(zhǔn)導(dǎo)得了兩種非差非組合函數(shù)模型,并對其進(jìn)行了比較和分析。在此基礎(chǔ)上比較了非差非組合和消電離層組合函數(shù)模型對數(shù)據(jù)處理的影響,結(jié)果表明雖然基于非差非組合模式求得的衛(wèi)星軌道、鐘差、地球定向參數(shù)等產(chǎn)品精度略優(yōu)于消電離層組合,但是由于電離層延遲等參數(shù)的引入顯著降低了基于非差非組合模式精密定軌的數(shù)據(jù)處理效率。因此本文認(rèn)為軌道和鐘差確定采用雙頻消電離層組合模型較為適宜。
【圖文】：

MGEJSO則站分布180]

關(guān)動力學(xué)和誤差改正模型的提高（特別是頻率間偏差的估計(jì))，近年來GLONASS衛(wèi)星軌道精度得到大幅度提升，IGS所發(fā)布的最終產(chǎn)品精度已達(dá)Scin。圖1.3給出了IGS最終GLONASS軌道產(chǎn)品精度變化。近年來IGS連續(xù)提出了 “reprocessl”和"reprocess2"計(jì)劃，以便通過采用最新高精度的誤差改正模型和數(shù)據(jù)處理策略提供在統(tǒng)一時空框架下的高精度GPS和GLONASS衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，從而為地球物理-13-
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P228.4

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本文編號：2578083