發(fā)布時(shí)間：2017-08-09 20:04

  本文關(guān)鍵詞：基于PPP算法的低軌衛(wèi)星軌道確定序貫方法研究

  更多相關(guān)文章： 低軌衛(wèi)星 軌道確定 序貫估計(jì) PPP算法 接收機(jī)鐘差建模 Consider卡爾曼濾波 PPP整周模糊度固定 GPS/北斗

【摘要】：如今低軌衛(wèi)星被大量應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)、地球重力場(chǎng)反演、地球電磁場(chǎng)探測(cè)、地形測(cè)繪、大氣及空間環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域,這些科學(xué)任務(wù)需要精確的航天器定軌信息。星載GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))技術(shù)因其具有監(jiān)測(cè)連續(xù)、全天候、獨(dú)立自主、定軌質(zhì)量高等特點(diǎn)而備受關(guān)注,成為航天器軌道確定領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中,美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)已經(jīng)被應(yīng)用于航天任務(wù)中二十余年,成為低軌衛(wèi)星厘米級(jí)定軌的最佳選擇。實(shí)現(xiàn)該精度,通常使用批處理最小二乘的事后定軌方法。隨著航天任務(wù)中對(duì)定軌要求的不斷提高,航天器實(shí)現(xiàn)高精度自主實(shí)時(shí)導(dǎo)航成為航天技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。與最小二乘法相比,卡爾曼濾波更適合于GNSS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)序貫處理,收斂速度較快,為低軌衛(wèi)星精密實(shí)時(shí)軌道確定提供了可能性。本文以星載GNSS低軌衛(wèi)星軌道確定為研究對(duì)象,基于序貫卡爾曼濾波框架,使用精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning,PPP)算法處理GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù),分別在星載GPS運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法(Kinematic Orbit Determination,KOD)、簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌方法(Reduced-dynamic Orbit Determination,ROD)、精密單點(diǎn)定位模糊度求解與固定、GPS/北斗聯(lián)合觀測(cè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法等方面展開了深入研究,從定軌精度、實(shí)時(shí)性、多觀測(cè)信息融合等方面進(jìn)行定軌方法改進(jìn),具體工作如下:在擴(kuò)展卡爾曼濾波框架下,研究了基于精密單點(diǎn)定位算法的運(yùn)動(dòng)學(xué)星載GPS低軌衛(wèi)星軌道確定方法,提出了基于接收機(jī)鐘差建模輔助的運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法。推導(dǎo)得出二階和三階的接收機(jī)鐘差模型,包括確定和隨機(jī)模型兩部分。使用GRACE-B飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法比較,該方法能夠顯著地改善定軌精度,尤其是徑向分量。其中使用二階鐘差模型獲得的軌道坐標(biāo)系下(徑向、切向和法向)三軸定軌殘差RMS分別為0.088m,0.071m和0.064m。三階鐘差模型輔助的運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌精度與二階方法相當(dāng)。同時(shí)直接使用廣播星歷估計(jì)GPS軌道和鐘差,實(shí)時(shí)場(chǎng)景下定軌徑向分量誤差減小了40.0%以上。在運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法的基礎(chǔ)上,引入低軌衛(wèi)星軌道模型實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌方法�；跀U(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)傳統(tǒng)方法(EKF-ROD)處理GRACE-B衛(wèi)星飛行數(shù)據(jù)獲得了優(yōu)于8cm的3D RMS定軌誤差。為了實(shí)現(xiàn)航天器實(shí)時(shí)自主軌道確定,提出了基于Consider卡爾曼濾波(Consider Kalman Filter,CKF)的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)方法(CKF-ROD),推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型。與EKF-ROD相比,大氣阻力和太陽光輻射壓力系數(shù)僅僅是被“考慮”而不是被直接估計(jì)。通過這些“考慮”參數(shù)的協(xié)方差遞推可以吸收未建模或者建模不準(zhǔn)確的軌道攝動(dòng),實(shí)現(xiàn)理想軌道精度下的快速收斂;同時(shí)縮小了狀態(tài)估計(jì)空間,提高了算法的實(shí)時(shí)性。在CKF框架內(nèi)比較了不同階地球重力場(chǎng)模型(Earth Gravity Model,EGM)對(duì)定軌精度的影響,使用低階次的EGM獲得了分米級(jí)的事后定軌精度。利用廣播星歷求解GPS軌道和鐘差,在軌道動(dòng)力學(xué)模型中僅僅使用5?5階次的EGM,可以獲得了3D RMS1.5m的實(shí)時(shí)定軌精度。研究了PPP算法中的載波相位模糊度求解與固定問題。在非差的PPP算法中,由于硬件延遲誤差難以分離,模糊度總是以實(shí)數(shù)的形式出現(xiàn)在載波相位觀測(cè)方程中,導(dǎo)致模糊度參數(shù)求解收斂時(shí)間很長(zhǎng)以及定軌精度的損失。本文詳細(xì)推導(dǎo)了三種PPP模糊度求解方法,即未校正偏差/小數(shù)周偏差估計(jì)法、鐘差解耦法以及相位整數(shù)鐘法;使用星間單差消除接收機(jī)端的硬件延遲誤差,對(duì)相位整數(shù)鐘方法進(jìn)行了改進(jìn)。最后通過地面站觀測(cè)數(shù)據(jù)以及GRACE-B衛(wèi)星飛行數(shù)據(jù)對(duì)基于相位整數(shù)鐘產(chǎn)品的PPP整周模糊度求解方法進(jìn)行了分析與驗(yàn)證:使用10個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌并固定模糊度,精度能提高15%(3D RMS)。隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建成與完善,北斗單系統(tǒng)及GPS/北斗組合系統(tǒng)導(dǎo)航定位技術(shù)必將應(yīng)用航天任務(wù)中。研究了基于PPP的GPS/北斗運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法,建立了基于系統(tǒng)間偏差(Inter-System Biases,ISB)估計(jì)的雙系統(tǒng)觀測(cè)量模型。比較了單GPS系統(tǒng)定位與GPS/北斗雙系統(tǒng)定位精度,其中雙系統(tǒng)動(dòng)態(tài)PPP算法能獲得10cm左右的定位精度。并且考慮到北斗星座的地球靜止軌道衛(wèi)星只在亞太地區(qū)可見,利用自主開發(fā)的軟件特別評(píng)估了沒有北斗地球靜止衛(wèi)星觀測(cè)量條件下的PPP定位性能。
【關(guān)鍵詞】：低軌衛(wèi)星 軌道確定 序貫估計(jì) PPP算法 接收機(jī)鐘差建模 Consider卡爾曼濾波 PPP整周模糊度固定 GPS/北斗
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V412.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 星載GNSS低軌衛(wèi)星軌道確定技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r14-20
• 1.2.1 星載GNSS低軌衛(wèi)星任務(wù)14-16
• 1.2.2 星載GNSS低軌衛(wèi)星軌道確定方法16-20
• 1.3 PPP整周模糊度求解20-22
• 1.4 多GNSS信息融合定位與定軌22-24
• 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容24-27
• 第2章 星載GNSS低軌衛(wèi)星軌道確定基本理論27-43
• 2.1 GNSS時(shí)空基準(zhǔn)27-29
• 2.1.1 GNSS時(shí)間系統(tǒng)27-28
• 2.1.2 常用坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換28-29
• 2.2 GNSS觀測(cè)量29-35
• 2.2.1 原始觀測(cè)量29-30
• 2.2.2 主要誤差建模與改正30-34
• 2.2.3 組合觀測(cè)量及其特性34-35
• 2.3 衛(wèi)星軌道模型35-39
• 2.3.1 低軌衛(wèi)星受力分析35-37
• 2.3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和敏感矩陣37
• 2.3.3 GNSS衛(wèi)星軌道與鐘差37-39
• 2.4 衛(wèi)星軌道估計(jì)方法39-42
• 2.5 本章小結(jié)42-43
• 第3章 基于GPS接收機(jī)鐘差建模輔助的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌道確定方方法43-61
• 3.1 GNSS觀測(cè)量質(zhì)量控制43-48
• 3.1.1 明顯的粗差和周跳探測(cè)44
• 3.1.2 接收機(jī)自主完好性檢測(cè)（RAIM）的概念44-46
• 3.1.3 GRACE數(shù)據(jù)質(zhì)量46-48
• 3.2 GPS接收機(jī)鐘差的基本概念48-49
• 3.2.1 GPS接收機(jī)鐘差的定義48
• 3.2.2 GNSS接收機(jī)鐘差的一般模型48-49
• 3.2.3 高精度星載振蕩器49
• 3.3 GPS接收機(jī)鐘差模型49-51
• 3.3.1 GPS接收機(jī)鐘差二階模型49-50
• 3.3.2 GPS接收機(jī)鐘差三階模型50-51
• 3.4 星載GPS運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法51-60
• 3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)的星載GPS低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法51-52
• 3.4.2 接收機(jī)建模輔助的星載GPS低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法52
• 3.4.3 仿真算例-GRACE數(shù)據(jù)與結(jié)果分析52-53
• 3.4.4 GRACE飛行數(shù)據(jù)處理53-54
• 3.4.5 結(jié)果分析54-60
• 3.5 本章小結(jié)60-61
• 第4章 基于Consider卡爾曼濾波的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)軌道確定方法61-75
• 4.1“廣義”簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌方法61-62
• 4.2 基于接收機(jī)鐘差估計(jì)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)62-63
• 4.2.1 星載接收機(jī)在線粗差和周跳探測(cè)62-63
• 4.3 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的星載低軌衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌方法63-65
• 4.4 基于Consider卡爾曼濾波器的星載低軌衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌方法65-67
• 4.4.1 Consider卡爾曼濾波器（CKF）65
• 4.4.2 基于Consider卡爾曼濾波的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌方法65-67
• 4.5 仿真算例-GRACE數(shù)據(jù)與結(jié)果分析67-74
• 4.5.1 定軌參數(shù)設(shè)置67
• 4.5.2 EKF-ROD定軌結(jié)果分析67-70
• 4.5.3 CKF-ROD定軌結(jié)果分析70-74
• 4.6 本章小結(jié)74-75
• 第5章 精密單點(diǎn)點(diǎn)定位整整周模糊度固定方方法75-91
• 5.1 載波相位模糊度求解與驗(yàn)證75-77
• 5.2 PPP整周模糊度固定算法77-85
• 5.2.1 基于星間單差UPDs/FCBs估計(jì)的PPP模糊度固定方法79-80
• 5.2.2 基于鐘差解耦的PPP模糊度固定方法80-82
• 5.2.3 基于相位整數(shù)鐘的PPP模糊度固定方法82-85
• 5.3 仿真分析85-88
• 5.3.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)分析85-86
• 5.3.2 GRACE-B飛行數(shù)據(jù)分析86-88
• 5.4 本章小結(jié)88-91
• 第6章 基于GPS/北斗聯(lián)合觀測(cè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌地面驗(yàn)證91-107
• 6.1 北斗系統(tǒng)概況91-93
• 6.1.1 北斗星座信息91-92
• 6.1.2 GNSS地面跟蹤站92-93
• 6.2 微小衛(wèi)星軌道確定項(xiàng)目93-97
• 6.2.1 星載GNSS接收機(jī)綜述95
• 6.2.2 GPS/北斗雙模接收機(jī)95-97
• 6.3 星載GPS/北斗低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法97-98
• 6.3.1 GPS/北斗組合系統(tǒng)觀測(cè)方程97-98
• 6.4 GPS/北斗運(yùn)動(dòng)學(xué)定軌方法地面驗(yàn)證98-104
• 6.4.1 PPP算法參數(shù)設(shè)置98-99
• 6.4.2 地面站靜態(tài)數(shù)據(jù)處理與分析99-104
• 6.4.3 GPS/北斗系統(tǒng)間偏差104
• 6.5 本章小結(jié)104-107
• 第7章 總結(jié)與展望107-111
• 7.1 總結(jié)107-108
• 7.2 展望108-111
• 參考文獻(xiàn)111-124
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文124-126
• 致謝126-127

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