精密GPS卫星钟差的改正和应用

分析了GPS卫生钟差的变化特性，探讨了利用GPS地面跟踪站的观测数据估算GPS卫星钟差的可行性，建立了相应的算法和软件系统，并把由地面跟踪站的实测数据估算的卫星钟差用于星载GPS定轨计算，得到优于1m的定轨精度。     

基于双频GPS观测的简化动力学最小二乘批处理精密定轨

星载双频GPS载波相位和伪距观测量已成为低轨卫星获取精确三维位置和速度信息的主要方式. 本文以非差消电离载波相位和伪距组合作为观测量,应用简化动力学最小二乘批处理方法进行地球低轨卫星的精密定轨,并给出完整定轨流程. 采用逐段常量的经验加速度对动力学模型误差进行补偿,描述了经验加速度敏感矩阵及稀疏带状矩阵求逆的有效计算方法. 利用GRACE-A卫星GPS观测数据对定轨位置精度进行分析,结果显示,三维位置定轨精度优于5cm,经验加速度在径向、切向和法向上的补偿水平不超过40nm·s-2,大气阻力系数和辐射光压系数的估计值符合物理实际,星载接收机钟差大致呈线性并具有短周期小波动.      

卫星精密轨道抗差估计的研究

建立了卫星精密轨道抗差估计批处理的模型，给出了抗差估计权函数、影响函数等方面论述了抗差估计批处理的抗差性，从理论上说明了抗差估计批处理能充分利用有效观测，限制了利用可用观测，排除了有害粗差影响，得到了正常模式下的最佳估值；给出了抗差估计批处理的计算步骤；应用激光测距数据对Lageos卫星进行了精密定轨，结果表明，抗差估计比经典最小二乘估计得到的卫星轨道更稳定，由实际情况进一步说明了抗差估计批处理具有明显的抗差性。     

基于GPS/北斗组合系统的高轨卫星定位技术研究

针对目前高轨GPS信号可用性差及定位精度低的特点, 对GPS/北斗组合系统的 高轨卫星定位技术进行研究, 对比分析了单GPS系统与GPS/北斗组合系统的卫 星可见性和几何精度因子. 结果表明, GPS/北斗组合系统比单GPS系统的卫星可 见性好, 且定位精度高. 同时通过提出在星载接收机上采用高精度原子钟, 可实现三星定位, 降低对接收机的技术要求.      

粗差拟准检定法在星载GPS低轨卫星定轨中的应用

利用自适应卡尔曼滤波进行星载GPS低轨卫星定轨时,必须解决量测方程中经常存在的粗差问题．在分析以往方法的优缺点后,用拟准检定法来探测和修正量测方程中存在的粗差．该法的优点是辨识粗差准确率高,能同时定位多个粗差．另外,为了克服星载GPS低轨卫星定轨的滤波器可能出现的数值不稳定性及发散现象,还采用了UD分解算法及Sage自适应滤波器．最后用一个CHAMP卫星的模拟算例验证本方法的可行性和有效性．     

导航卫星的地面站定轨算法

导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分,而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此,研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测,将导航卫星钟差参数作为状态量,推导了滤波算法的状态方程、测量方程,并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导航卫星为例进行了2天的仿真试验,考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断,并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明,4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级,钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级,并且在滤波中断后重启滤波器,仍然可以达到此估计精度,表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。     

星载GPS低轨卫星几何法精密定轨研究

本文讨论了星载ＧＰＳ接收机为单频情形的代轨卫星几何法定轨,包括载波一相对定轨法和动态网定轨法,并利用Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ卫星星载ＧＰＳ实测数据中Ｌ１载波相位观测值进行验证,结果表明,载波相位相对定轨精度与地面基准站的观测质量有关,其三轨道位置精度为分米级;载波相位动态风定轨精度介于各基准站皮相位相对定轨之间,它相当于在各基准站相对定轨之间加权均衡,而且提高了定轨的可靠性。     

导航星座不完整对星间自主定轨几何精度因子的影响

星间自主定轨是星座自主导航的关键技术. 在系统建设初期未完成全星座组网、卫星出现故障或受损等情况下, 部分卫星缺失将导致导航星座不完整, 其对星间自主定轨性能的影响值得研究. 本文在提出逐卫星加权最小二乘自主定轨估计方法的基础上, 引入几何精度因子作为衡量星座不完整影响卫星自主定轨性能的指标, 最后以Galileo星座为例进行了仿真与分析. 结果表明, Galileo星座中卫星进行自主定轨时其可视卫星的冗余度较高, 少数卫星缺失不会对星间自主定轨的几何精度因子产生明显影响. 只有当星座缺失卫星数达2/3时, 会使得部分卫星的几何精度因子超差, 卫星自主定轨性能明显下降.      

卫星与测站钟差支持条件下的GEO卫星精密定轨

在基于伪距的GEO卫星精密定轨中, GEO卫星的静地特性导致定轨解算无法对星地组合钟差进行有效估计, 需要独立的时间同步支持. 本文讨论了卫星和测站钟差支持条件下的GEO卫星定轨原理, 利用仿真数据系统地分析了中国区域网跟踪条件下GEO卫星的定轨精度, 从定性和定量角度分析了钟差二次项、星地时间同步精度、站间时间同步精度及系统差等因素对定轨精度的影响.      

利用星地差分GPS的地基测控系统实时标校方法

针对地基测控系统传统标校方法和基于差分GPS事后标校方法的不足，提出了一种基于低轨卫星与地面测控站之间星地差分GPS的地基测控系统测量误差实时标校方法。与基于差分GPS的事后标校相比，实时标校能使地基测控系统及时获取标校后的测量数据，从而实时进行轨道解算和预报，并及时上注以提升卫星运行性能。针对星地长基线、高动态和实时标校场景，系统地分析了影响星地基线估计性能的各项误差及修正效果，并提出相对位置精度因子的概念，由此得到星地基线估计精度预算。采用基于抗差自适应卡尔曼滤波的实时星地基线估计算法，并利用加权最小二乘法求解测控系统测量误差，从而获得校准结果。利用星载双频GPS接收机和导航信号模拟器构建半实物仿真平台，仿真结果表明，实时标校后测距系统误差残差降低到40cm左右，测速系统误差残差降低到1cm/s以下，与理论分析结果一致，可以较好地满足未来航天任务的测控需求。     

基于GPS的地球资源卫星精密星历外推新方法

随着技术的发展,通过星载GPS接收机直接确定卫星星历成为卫星定位的一个重要手段.GPS接收机获取的卫星星历数据是某一时刻的瞬时状态,要获取连续的卫星星历数据还需要进一步处理.常用的处理方法有几何法与动力学法.在GPS接收机给定瞬时星历频率较低的情况下,几何法的计算误差比较大,特别是只有一组瞬时星历时,无法用几何法进行轨道的外推.在分析地球资源卫星轨道特点的基础上,提出一种新的轨道缩减动力模型,该模型将卫星运动在直角坐标系中分解为简谐运动,利用模型实现了轨道外推的算法.通过试验验证,该算法可以达到较高的精度.      

基于多模型最优融合的双星定位系统一体化精密定轨方法

针对卫星动力学模型复杂且不准,考虑到卫星定轨中待估参数在时间和空间上的相关性,提出了一种基于多模型最优融合的双星定位系统一体化参数建模的近地卫星精密定轨新方法.利用节点自由分布B样条描述卫星运动,实现了对卫星粗略动力学模型的抑制作用;同时结合双星观测模型,使该方法转化为关于求解卫星轨道样条表示参数和定轨系统误差的多模型融合的非线性优化问题;通过引入模型结构确定最优融合权值的选取准则,在最小二乘准则下,采用非线性最优化方法搜寻样条的最优节点分布,得到了待估参数的最优估计,完成了近地卫星的精密定轨.理论分析和仿真计算表明,该方法确实有效,不仅提高了卫星的定轨精度,而且使状态估计的结构更加稳定.      

基于实时SSR数据的LEO卫星精密单点定位研究

对目前低轨卫星实时定位的方法进行了研究,现在通常采用GPS定位,使用广播星历和普通晶振,实时定位精度一般在10m以内,不能满足高精度实时定位的需求。IGS组织在全球范围内对GPS跟踪分析,生成精密星历、精密钟差产品、按SSR格式的广播星历和钟差修正产品并在网上发布。对这些IGS产品进行了调查,提出在现有测控支持情况下,可以通过高密度上注SSR信息流实现在轨高精度定位。以某型号低轨微小卫星在轨导航增强载荷为应用背景,用IGS03产品中的1057和1058数据对双频GPS接收机的星历和钟差进行修正,采用递推最小二乘估计和LAMDA模糊度固定过对载波相位和伪距信息进行处理,在短时间内获得亚米级定位结果。     

Orbit determination performances using single- and double-differenced methods: SAC-C and KOMPSAT-2

In this paper, Global Positioning System-based (GPS) Orbit Determination (OD) for the KOrea-Multi-Purpose-SATellite (KOMPSAT)-2 using single- and double-differenced methods is studied. The requirement of KOMPSAT-2 orbit accuracy is to allow 1 m positioning error to generate 1-m panchromatic images. KOMPSAT-2 OD is computed using real on-board GPS data. However, the local time of the KOMPSAT-2 GPS receiver is not synchronized with the zero fractional seconds of the GPS time internally, and it continuously drifts according to the pseudorange epochs. In order to resolve this problem, an OD based on single-differenced GPS data from the KOMPSAT-2 uses the tagged time of the GPS receiver, and the accuracy of the OD result is assessed using the overlapping orbit solution between two adjacent days. The clock error of the GPS satellites in the KOMPSAT-2 single-differenced method is corrected using International GNSS Service (IGS) clock information at 5-min intervals. KOMPSAT-2 OD using both double- and single-differenced methods satisfies the requirement of 1-m accuracy in overlapping three dimensional orbit solutions. The results of the SAC-C OD compared with JPL’s POE (Precise Orbit Ephemeris) are also illustrated to demonstrate the implementation of the single- and double-differenced methods using a satellite that has independent orbit information available for validation.     

编队飞行卫星群相对轨道测量研究

编队飞行卫星群自主式相对轨道测量和确定是绕飞轨道的关键技术之一,考虑了利用星敏感器和雷达以及利用GPS(Global Positioning System)信号来进行相对定轨的传统方式,提出了基于伪卫星技术的定轨方案.伪卫星技术指在卫星上安装载波发生器和接收器,利用这些装置来进行卫星间的距离测量.在这些方案中,应用了差分GPS技术,采用优化方法求解多元非线性方程.这些测量方法分别适应于不同的情况.利用相对轨道要素的概念,在前面测量结果的基础上,通过卡尔曼滤波进一步提高了定轨精度.仿真计算表明这些方案可以满足不同尺度编队构型保持要求,并给出了部分结果.     

Enhancing the kinematic precise orbit determination of low earth orbiters using GPS receiver clock modelling

Clock error estimation has been the focus of a great deal of research because of the extensive usage of clocks in GPS positioning applications. The receiver clock error in the spacecraft orbit determination is commonly estimated on an epoch-by-epoch basis, along with the spacecraft’s position. However, due to the high correlation between the spacecraft orbit altitude and the receiver clock parameters, estimates of the radial component are degraded in the kinematic approach. Using clocks with high stability, the predictable behaviour of the receiver oscillator can be exploited to improve the positioning accuracy, especially for the radial component. This paper introduces two GPS receiver clock models to describe the deterministic and stochastic property of the receiver clock, both of which can improve the accuracy of kinematic orbit determination for spacecraft in low earth orbit. In particular, the clock parameters are estimated as time offset and frequency offset in the two-state model. The frequency drift is also estimated as an unknown parameter in the three-state model. Additionally, residual non-deterministic random errors such as frequency white noise, frequency random walk noise and frequency random run noise are modelled. Test results indicate that the positioning accuracy could be improved significantly using one day of GRACE flight data. In particular, the error of the radial component was reduced by over 40.0% in the real-time scenario.     

卫星初始轨道确定方法研究

卫星精密轨道确定过程实际上是通过求解轨道动力学微分方程组而对初始轨道不断改进的过程,因此,轨道确定的精度与速度不但依赖于求解微分方程组的具体算法,同样依赖于初始轨道的精度与准确性。针对多站测距/距离和数据,建立了一种轨道初值计算的几何方法,该方法集折射误差修正方法于一体,在进行观测数据折射误差修正的基础上,可以得到卫星在任意时刻的轨道初值。     

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度，传统几何定轨法精度受限，只能达到亚米级，而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解，定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能，利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品，对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算，与事后精密轨道结果进行比较，分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据，切向与径向的定轨精度可达2cm左右，法向为5cm左右，较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。