用于低轨卫星精密轨道确定的简化动力学法

全球定位系统(GPS)的测量量可促成一种简化动力学法,用于近地卫星的近厘米级定轨。利用这种方法,不同观测时刻的卫星状态问的转移由正规的动力学模型和由连续GPS载波相位数据以运动学法导出的卫星位置变化来完成。动力学信息和运动学信息间的相对权重可自由变化。协方差分析表明:当观测几何差而动力学模型好时,模型支配着状态转移的计算;动力模型差而观测几何好时,载波相位统治着状态转移的计算;而当运动学和动力学信息间没有明显优劣时,简化动力学联合法可显著提高轨道精度。本文给出简化动力学法中准最佳的择权准则,并研究了求解精度对权的敏感性。     

面向导航增强的低轨卫星钟差确定及预报方法研究

低轨导航增强是未来导航发展的重要趋势,而高精度低轨卫星钟差是实现低轨导航增强的必要条件。基于Sentinel-6A卫星,对低轨卫星钟差特性进行了分析,给出了钟差确定方法及影响因素,介绍了顾及钟差特性的低轨卫星钟差预报方法。实验表明,低轨卫星钟差含有多个周期项,给低轨卫星建模和预报带来了困难。与使用运动学定轨模型相比,基于简化动力学的定轨模型可显著提升低轨卫星钟差精度;当基于运动学模型确定低轨卫星钟差时,相较于使用GPS单系统数据,多GNSS观测数据可提升低轨卫星钟差精度。研究表明,基于GPS和Galileo观测的Sentinel-6A卫星钟差精度相较于GPS单系统钟差精度改善了36%,同时,所使用的GNSS产品精度与低轨卫星钟差精度密切相关。利用顾及卫星钟差特性的低轨卫星钟差预报方法,当预报时长小于1 min,低轨卫星钟差预报精度（预报与解算值之差的RMSE）在0.1 ns之内,当预报时长小于5 min,预报精度在0.3 ns之内,随着预报时长的增长,预报精度显著下降。     

利用GPS测量空间转移飞行器的姿态

在长时间的运行过程中,空间转移飞行器(STV)的惯性测量系统将积累过大的姿态误差。利用GPS可以对其姿态进行修正,以满足任务的需求。本文考虑了测量姿态的四种不同方法:推力矢量测定、差分GPS、相位时间三差和载波相位测姿。由于非常靠近空间站,空间转移飞行器上天线间隔的限制及相位时间三差求解需要很长的积分时间,我们选用载波相位测姿法。利用人马座顶上级代表空间转移飞行器的结构,载波相位的测量精度为0.2cm,本文证明了利用相位时间三差解初始的不对准误差对大部分飞行任务是可以接受的。GPS和高质量的惯性导航系统(INS)相结合,可以改进姿态测量方法,同时惯导系统还可辅助GPS接收机的载波跟踪环,保持载波相位的锁定。利用载波相位测姿法测量空间转移飞行器的姿态,至少要用4颗卫星。本文给出了一种选择有利卫星几何的几何方法。概括地讲,首先选择一颗最高仰角的卫星作为主星,然后在天线基线相反两侧选择低仰角的2#星和3#星,最后选择4#星,4#星远离其它3颗星,并且最好位于与基线垂直而不是包含基线的平面上。其目的是选择几何分布好的卫星,以便有良好的天线基线方位/俯仰灵敏度和良好的单位矢量差(GDOP)分布。本文介绍了对于一组卫星,一旦主星选定,如何从数学上计算方位/俯仰灵敏度。把方位和俯仰灵敏度及GDOP代入复合排序方程,以确定最佳的一个4颗星的星座,然后采用Magnavox研究的载波相位定位的算法,由这4颗卫星的载波相位,计算空间转移飞行器的姿态。     

星载双频GPS相位历元差缩减动力学定轨(英文)

研究了星载双频GPS相位历元差缩减动力学定轨方法,该方法既克服了相位历元差运动学方法在观测几何较差或数据不足情况下无法应用的缺点,又避免了相位非差动力学方法易受周跳和模糊度影响的缺点。历元差方法对相位周跳的影响不敏感,因此能够降低相位数据预处理中周跳探测的难度。在模型求解过程中,解决了高维矩阵的计算问题,将长弧段观测数据分成若干短弧段,相邻两个短弧段的连接处不做差分,仅在每个短弧段内部进行历元间差分处理。通过对GRACE卫星进行试算,并与GFZ事后科学轨道进行比较,结果表明相位历元差缩减动力学定轨精度在径向、沿迹方向和轨道法向分别可达1.92cm、3.83cm和3.80cm,三维位置精度可达5.76cm,该方法与相位非差缩减动力学定轨精度相当。     

利用GPS进行精密轨道确定

全球定位系统(GPS)完全布满卫星后,将成为近地卫星的精密轨道确定(POD)强有力的工具。该系统具有连续跟踪覆盖能力,不仅可实现传统的动力学精密轨道确定方法,而且还可进行运动学轨道确定。来自至少四个GPS卫星的伪距测量值,通过载波相位测量值的平滑,可测定天线相位中心的地心位置和用户卫星的时钟修正值,因而后一技术不需要用户卫星受力的动力学模型。运动学法对测量模型的影响非常敏感,如GPS星历误差(给定的或求解的)、信号的多径、接收机噪声等等;然而,动力学方法又受参数误差和/或力模型不完善的影响。为此研究出一种利用过程噪声补偿对运动学和动力学算法进行加权的混合方案。本课题的中心点是利用仿真辅以协方差分析,研究这几种定轨方法。建立了几种动力学和测量误差模型,这些模型造成的轨道不确定性与处理实际GPS数据而估计的星历误差大致相当。协方差分析经调整能反映这些误差,能看出各种滤波技术的特性。     

基于运动的GPS测姿解整周模糊的新算法

利用GPS载波相位技术可进行近厘米级精度定位。借助几个天线,利用载波相位可测定姿态。本文介绍一种基于运动的解整周模糊的算法,适用于可见GPS卫星较少的场合。当共视卫星数少于3颗时这种算法是一种基本手段。用作直升机自主样机和飞机的测姿设备实验中,这种算法非常成功。     

空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——动力学统计定轨程序compass的编写及调试

介绍了空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的开发过程。软件的初级阶段目标是可以利用SLR观测对多颗激光卫星进行同时定轨、可以利用非差GPS观测对GPS星座进行同时定轨,并估计有意叉的地学参数。COMPASS的开发采取了由简到繁、循序渐进的技术策略,软件开发经历了这样几个主要过程：多星多技术定轨框架的建立。利用SLR观测确定GPS卫星的轨道,利用IGS的SP3轨道确定GPS星座的轨道,利用非差GPS伪距观测确定GPS星座的轨道,利用非差GPS伪距和相位观测确定GPS星座的轨道。激光卫星的定轨精度已经达到国际水平,可以用于提供国际服务（如IERSEOP;ILRS快速分析）;GPS定轨内符精度达到国际先进水平,平均外符精度好于30cm。     

星载GPS相位非差低轨卫星定轨及其精度分析

星载GPS相位非差低轨卫星事后精密定轨无需考虑复杂的动力学模型和地面资料,只需低轨卫星上的GPS观测资料和IGS的GPS精密星历产品,而且对于不同高度的卫星定轨都适用,计算简单、方便,能快速、高精度地确定轨道,同时还能确定部分动力学参数。本文在研究相位非差定轨方法基础上,对低轨卫星的误差影响及其处理措施进行探讨,给出了GPS相位非差定轨流程,编写了相应的定轨软件（SHKINE）,并利用CHAMP卫星资料对定轨的可靠性和精度进行分析,表明：利用自行编写的SHKINE定轨软件对CHAMP卫星定轨,3个方向坐标精度为10cm-20cm,点位精度为30cm-40cm,能满足一般定轨要求,是一种简单方便、行之有效的定轨方法。     

GPS单差观测量的运动学相对定轨研究

以双星编队飞行为工程背景,在两颗编队卫星均搭载GPS双频接收机和一颗搭载GPS双频接收机而另一颗搭载GPS单频接收机两种模式下,对相对定轨方法和数据处理流程进行了研究。运动学相对定轨采用最小二乘批处理方法进行轨道估计,定轨流程包括单点定位、动力学平滑、数据编辑、运动学绝对定轨和运动学相对定轨五个步骤。利用GRACE双星数据进行测试,结果通过KBR验证:利用消电离单差组合观测量,相对定轨精度达到1 cm左右;以双频GPS为参考星,双频消电离观测量和单频GRAPHIC观测量做单差,相对定轨精度优于18cm。     

利用几何约束快速求解整周模糊度

本文以GPS载波相位测量确定载体姿态的应用为背景，针对其中的关键技术问题－载波相位整周模糊度的快速解算，提出了一种充分利用卫星与基线之间几何约束来压缩搜索空间，快速得到正确的双差模糊度组合的方法，并通过对ADUⅡ接收机采集的原始数据进行处理，其结果证明这的确是一种行之有效的模糊度搜索方法。     

GPS 双基线载体姿态测量研究

研究了采用双基线方案测量载体的姿态,利用GPS双差相位测量基线矢量,双差伪距观测值辅助解相位整周模糊,双频时引入空间变换缩小置信空间搜索次数,通过实例分析得出了正确解算相位模糊与观测次数、伪距测量精度的关系,并利用误差传播定律对姿态测量精度进行分析,结合卫星星历数据计算表明,在卫星运行周期内航向角和俯仰角平均测量精度在一定条件下优于2mrad.     

单颗导航卫星的轨道确定

讨论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。采用历元间差分算法,在消除钟差的主项（低频）误差后,将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据,并对其建立测量模型。仿真分析表明,此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度,利用实测的GPS数据进行轨道确定计算,计算结果表明,采用历元间差分算法,利用国内观测台站3天弧段的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨,其径向精度优于10m,利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13．8m。     

一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法

为了提高实时卫星钟差估计的精度和稳定性,提出了一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法。基于超快速轨道产品,分析了轨道标准差与绝对轨道误差的相关性。通过线性插值获得实时轨道误差信息,以优化先验残差的随机模型。基于先验轨道标准差阈值,采用分段方式剔除实时轨道异常卫星对应的观测值。实验结果表明：轨道标准差和轨道误差的相关性高达0.82。与常用的高度角相关的随机模型相比,GPS卫星钟差估计精度最大提高了15.2%,平均提高了8.1%,钟差误差的时间序列更加平稳,所有GPS卫星的平均钟差STD均在0.15ns以内。因此,超快速轨道产品中提供的轨道标准差与绝对轨道误差表现出较强相关。采用顾及轨道误差的实时钟差估计方法可提高GPS卫星钟差估计精度,准确识别并剔除GPS实时轨道异常的卫星,从而提高GPS实时钟差估计的稳定性。     

基于类GPS技术的编队卫星相对参数测量研究

针对编队飞行小卫星间相对位置和相对姿态的测量,提出利用类GPS技术实现编队卫星间的自主测量,建立相应的测量模型来获得与相对位置和相对姿态相关的观测量。利用C-W方程和姿态运动学方程建立相应的状态方程,通过扩展卡尔曼滤波实现对编队卫星间相对参数的实时估计。MATLAB仿真结果表明,此方法能够获得很高的测量精度。     

北斗三频周跳探测与修复算法研究

载波相位观测值已越来越多地应用到增强系统中,由于观测环境影响,载波相位测量不可避免地会产生周跳,周跳的成功探测与修复是提高导航定位精度的一个重要因素。针对北斗卫星导航系统三频观测数据,分析其不同线性组合观测值的特性,选取合适的组合系数,形成一个伪距相位组合和两个无几何相位组合,采用历元间差分的方法探测和修复组合观测值的周跳,然后还原求解出原始信号的周跳,最后通过实验验证了该方法的可行性。     

BDS接收机星间载波相位偏差

BDS(BeiDou satellite navigation System,北斗卫星导航系统)的MEO/IGSO (Medium Earth Orbit/Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,中圆地球轨道/倾斜地球同步轨道)卫星在D1导航电文上调制了NH(Neumann-Hoffman,奈曼-霍夫曼)二次编码,而在GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星上未使用.利用北斗MEO/IGSO和GEO卫星进行差分定位时,采用不同NH码符号映射规则的接收机之间会出现半周载波相位偏差的问题,严重影响RTK (Real-Time Kinematic,实时动态差分)应用.通过分析半周载波相位偏差的形成机理,从单差、双差、三差应用角度分别研究了半周载波相位偏差的影响.分析结果表明,接收机NH码符号映射规则与卫星不一致时,接收机直接用乘法器对NH码解调将存在反相,也即引入了半周载波相位偏差;在满足特定条件下,单差和双差应用时会存在半周载波相位偏差的问题;三差应用时不存在半周载波相位偏差的问题.最后,提出了需在北斗接口控制文件中明确卫星NH码调制或映射规则的修订建议.     

基于RTS滤波的GPS+BDS 非差非组合PPP/INS紧组合模型

GPS高精度定位技术在动态复杂环境中,其定位精度、可靠性和连续性因卫星信号频繁失锁而变差。为此,提出了采用基于RTS滤波(Rauch-Tung-Striebel Filter)的GPS+BDS非差非组合PPP(Precise Point Positioning)与INS(Inertial Navigation System)紧组合模型的策略来克服GPS在动态定位中的弱点。其中,采用GPS+BDS双系统观测数据,可提高PPP解算中的可用卫星数,改善星站间定位几何强度和提高PPP收敛速度;采用PPP/INS紧组合,利用INS的自主定位特性和短期高精度特性,可有效改善复杂环境下的定位精度和连续性;采用RTS滤波,可进一步提高PPP/INS紧组合性能。首先推导了GPS+BDS非差非组合函数模型、PPP/INS紧组合函数模型和RTS滤波函数模型,然后利用一组车载动态数据,对动态GPS PPP、GPS+BDS PPP、GPS/INS紧组合、GPS+BDS PPP/INS紧组合和基于RTS的GPS+BDS PPP/IMU紧组合的定位、测速和定姿性能进行分析。实验结果表明,该方案可有效提高定位(58%～72%)、测速(74%～82%)和定姿(4%～23%)精度,特别是对卫星失锁期间的定位性能改善尤为明显。     

矢量结构对载波相位的预测

高精度定位通常采用载波相位测距，而当全球导航卫星系统（GNSS）接收机信号受到遮挡、存在干扰等环境影响时，载波相位易出现跟踪不连续的问题，从而影响定位精度。针对这一问题提出了一种采用矢量结构对载波相位的预测方法，预测值辅助载波相位的跟踪，为了使预测值对载波相位跟踪效果更好，使用接收信号的质量确定预测值对载波相位的影响比例。最后，试验验证了通过矢量结构对载波相位进行预测，有效地改善了载波相位的跟踪能力，从而对载波相位连续跟踪，并有效地提高定位精度。     

导航卫星载波相位模糊度自主解算方法

当有4颗以上导航卫星同步观测航天器(卫星、导弹)时,本文提出应用自主定位和自校准技术来自主解算导航卫星载波相位整周模糊度的方法,并以此获取航天器的高精度飞行轨道。     

顾及轨道误差的GNSS卫星钟差实时估计策略优化

为提高GNSS卫星钟差实时估计精度，针对GNSS各卫星系统的轨道差异，分析各系统卫星轨道误差对钟差估计的影响，基于距离函数线性化二阶残余项的思想，提出了一种顾及轨道误差的权函数模型，以优化实时卫星钟差估计策略。利用全球均匀分布的IGS和iGMAS跟踪站的实时观测数据进行实验，并与GBM的事后精密钟差进行对比分析。结果表明： GPS精度提高率为6.47%，BDS精度提高率为6.46%，GLONASS精度提高率为7.42%，Galileo精度提高率为7.62%。