發(fā)布時間：2020-06-22 08:33

【摘要】：低軌衛(wèi)星精密定軌方法和數(shù)據(jù)處理技術一直是衛(wèi)星大地測量領域的研究熱點。1982年發(fā)射的Topex/Poseidon(T/P)衛(wèi)星首次成功實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星星載GPS精密定軌,其全球軌道徑向精度3.5 cm。此后,星載GPS定軌技術被廣泛應用于各種低軌衛(wèi)星任務如Jason系列海洋測高衛(wèi)星、GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)衛(wèi)星、GOCE(Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer)重力衛(wèi)星、Swarm A/B/C衛(wèi)星、海洋二號(HY-2A)衛(wèi)星和風云三號(FY-3C)遙感衛(wèi)星等。當前地球重力場探測、海洋測高、遙感測圖、大氣探測等研究領域對低軌衛(wèi)星軌道確定的精度、可靠性和實時性提出了更高的要求。目前低軌衛(wèi)星精密定軌方法還存在一些問題:星載GPS數(shù)據(jù)周跳探測是星載GPS低軌衛(wèi)星精密定軌的關鍵問題之一,現(xiàn)有的星載GPS周跳探測方法在某些情況(如特殊的周跳組合、同一歷元多顆GPS衛(wèi)星觀測值發(fā)生周跳)下會失效;簡化動力學定軌雖然已簡化了衛(wèi)星軌道動力學模型,精度優(yōu)于運動學軌道解,但計算仍較繁瑣,不利于其實時應用。因此研究更穩(wěn)定可靠的星載GPS數(shù)據(jù)周跳探測和修復方法以及星載GPS低軌衛(wèi)星精密定軌方法具有重要意義。在此研究背景下,本文系統(tǒng)研究星載GPS低軌衛(wèi)星定軌的基本理論和方法,提出基于軌道動力學信息約束的星載GPS載波數(shù)據(jù)的周跳探測和修復方法,提出基于軌道歷元間二次差分約束的星載GPS低軌衛(wèi)星簡化動力學精密定軌的理論和方法,研制星載GPS低軌衛(wèi)星精密定軌數(shù)據(jù)處理軟件包。論文的主要工作和成果概括如下:1.簡要總結了現(xiàn)有的星載GPS低軌衛(wèi)星科學任務、低軌衛(wèi)星定軌方法,以及星載GPS數(shù)據(jù)周跳探測方法;并分析了目前星載GPS低軌衛(wèi)星精密定軌中存在的問題。2.詳細闡述了星載GPS低軌衛(wèi)星精密定軌涉及的基礎理論。包括時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)、星載GPS觀測方程、星載GPS主要誤差源和改正、星載GPS低軌衛(wèi)星精密定軌方法、低軌衛(wèi)星軌道動力學模型和數(shù)值積分器等內容。為下一步研究新的星載GPS數(shù)據(jù)周跳探測方法和新的星載GPS低軌衛(wèi)星定軌方法奠定基礎。3.提出了一種基于衛(wèi)星軌道動力學信息約束的星載GPS數(shù)據(jù)周跳探測和修復方法,深入分析討論了其函數(shù)模型。并成功應用于GRACE和GOCE實測星載GPS載波數(shù)據(jù)中的周跳探測和修復。結果表明:本文提出的DLc周跳探測和修復組合,利用載波無電離層組合Lc建立歷元間二次差分觀測值,避免了引入較大的偽距測量噪聲,僅對小部分特殊周跳組合(60k,77k),k=±1,±2,…不敏感,具有很好的小周跳探測效果。該方法不依賴于偽距精度,不受電離層變化影響;采用DLc組合和MW組合聯(lián)合進行星載GPS載波觀測數(shù)據(jù)周跳探測和修復,對于1 s、5 s和10 s的采樣間隔,其周跳探測成功率分別為99.9,99.8和99.6%,周跳修復成功率分別為99.9,99.7和98.4%。4.提出了一種基于軌道歷元間二次差分約束的星載GPS低軌衛(wèi)星簡化動力學精密定軌方法。該方法提出將軌道歷元間二次差分作為動力學約束觀測方程,聯(lián)合星載GPS數(shù)據(jù)進行定軌。與現(xiàn)有的動力學定軌方法和簡化動力學定軌方法相比,該方法動力學模型簡單,可不考慮地球重力場以外各種小攝動力的影響,不需要估計偽隨機參數(shù),可顯著的提高計算效率;與運動學相比,軌道解更穩(wěn)定平滑,精度也更高。5.以GOCE衛(wèi)星為例,深入分析探討了低軌衛(wèi)星在空間中所受的攝動力量級,及其對軌道歷元間二次差分計算的影響。結果表明:除地球重力場外的各種攝動力(如地球固體潮、海潮、極潮、日月引力等)均小于10-5 ms-2;在30 s采樣間隔時,僅考慮EGM2008模型90階次位系數(shù),積分計算軌道歷元間二次差分的精度優(yōu)于1 cm。6.深入研究了星載GPS低軌衛(wèi)星運動學定軌方法,利用GOCE衛(wèi)星的實測數(shù)據(jù)對低軌衛(wèi)星運動學精密定軌方法進行了測試驗證,結果表明:本文運動學軌道解與ESA(European Space Agency)提供的PRD(PreciseReduced-dynamic Orbit Determination)軌道的差異,在徑向RMS(RootMean Square)優(yōu)于2.9 cm;平均3D RMS優(yōu)于4.2 cm。7.利用GOCE衛(wèi)星的實測數(shù)據(jù)對新的簡化動力學定軌方法進行了測試驗證,結果表明:本文提出的方法其軌道解與ESA提供的PRD軌道的差異在徑向、切向和法向的3天平均RMS為1.9 cm,1.2 cm和1.2 cm;平均3D RMS為2.5 cm;12天的3D-RMS均在3 cm左右,其平均3D-RMS為2.97 cm。8.研制了一套星載GPS低軌衛(wèi)星精密定軌軟件系統(tǒng)。具備基于星載GPS數(shù)據(jù)精密預處理、偽距及動力學平滑偽距的單點定軌、運動學精密定軌、基于軌道歷元間二次差分約束的簡化動力學精密定軌等功能。
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P228.4
【圖文】：

圖 1.1 GPS衛(wèi)星星座(引自www.gps.gov)S 低軌衛(wèi)星任務射的地球資源衛(wèi)星 LANDSAT-4，衛(wèi)星軌道高PS 接收機。其搭載的是單頻 GPS 接收機，不能定軌精度不佳。Topex/Poseidon(T/P)衛(wèi)星是由美ics and Space Administration, NASA)和法國國家tudes Spatiales, CNES)共同研制的海洋測高衛(wèi)星頻 6 通道 GPS 接收機，軌道高度 1336 km。T/密定軌，其全球軌道徑向精度 3.5cm，精度與該結果表明：星載 GPS 技術能應用于低軌衛(wèi)星PS 技術被廣泛應用于各種低軌衛(wèi)星任務,如：

圖 1.2 CHAMP 衛(wèi)星(引自 NASA)圖 1.3 GRACE 衛(wèi)星(引自 JPL)星由美國 NASA 和德國 GFZ 共同研制，于 2002 年 3 kJack GPS 接收機、星載加速度計和 K 波段微波測距系相同的衛(wèi)星 A/B 編隊飛行，軌道高度約 500 km，星間距約衛(wèi)星提供的星載 GPS 數(shù)據(jù)，J ggi 等(2007)采用非差和雙

【參考文獻】

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本文編號：2725470