基于地面跟踪站观测技术的GPS卫星定轨研究及程序设计

发布时间：2019-08-28 14:34

【摘要】：卫星的在轨跟踪与定轨是确定卫星系统安全性和可用性的核心，因此也成为卫星导航领域中研究的热点，尤其是目前我国正在建设自己的北斗二代全球卫星导航系统，如何准确且快速地获得高精度的轨道更成为当前亟待解决的问题。虽然目前GPS等其它卫星导航系统的精密定轨技术相对比较成熟，但我国的北斗二代全球卫星导航系统由于存在星座异质性、基准站数量少且无法全球分布等多个因素的影响，目前的定轨精度相对较低，难以满足高精度实时定位导航的需求。 GPS系统作为目前全球应用最广泛的卫星导航系统，其轨道精度可以达到2cm，由于GPS系统的基准站遍布全球，所以可以利用成熟的GPS系统来研究精密定轨的理论以及分析基准站的数量和分布对卫星定轨的影响，总结提出改进的定轨方法以及总结分析基准站对精密定轨的影响，，并以此为基准拓展到我国北斗二代全球卫星导航系统的精密定轨研究中。本文从卫星轨道的基本理论出发，对基准站的个数和分布对卫星事后星历以及实时星历解算的影响做了详细分析，并基于相关的理论研究基础，设计编制了轨道积分程序。论文的具体研究工作如下：（1）基于卫星定轨理论与研究方法，采用不同个数的区域基准站对GPS广播星历进行轨道改进，得到了20cm-30cm的区域站定轨结果；采用不同个数的全球基准站对GPS广播星历进行轨道改进，得到了cm级的全球站定轨结果。（2）分别用区域基准站以及全球基准站的实时数据对GPS卫星轨道进行约束定轨。结果显示附加基准站数据的实时轨道较直接预报轨道的精度在大部分时间有了明显改善，但是在起始时间段有较大波动。（3）模拟分析中心，以3天为一弧段对GPS快速星历和超快速星历进行连续一个月的解算，得到延迟一天的快速星历以及近实时的超快速星历，其中超快速星历每6小时更新一次，并附加了实时数据的约束。结果显示快速星历的精度大致在6.8cm左右，超快速星历的精度除个别异常点外保持在20cm以内。（4）以7天为一弧段解算GPS事后星历。结果显示径向精度在3cm左右，要优于较短弧段解，但是切向和法向精度较低。（5）基于GPS卫星的定轨研究基础，利用实验数据对北斗二代导航系统进行定轨解算，结果显示GEO卫星的定轨结果为128.9cm，IGSO卫星的定轨结果为36.9cm，并且在GEO卫星和IGSO卫星共同定轨时，GEO卫星使IGSO卫星的定轨精度降低。（6）基于前文的理论和研究基础，编写了定轨中的核心部分轨道积分软件模块，结果显示本文设计的轨道积分程序可以较好地完成轨道积分过程，进行一天的轨道积分后整个星座的精度大致在20cm左右。
【图文】：

分布图,跟踪站,全球,分布图

图 1.1 IGS 全球跟踪站分布图目前，IGS 组织中运行的数据处理分析中心（Analysis Center）约为 11 个，具体见表 1.1。表 1.1 IGS 数据处理分析中心列表分析中心英文简写机构名称及国籍数据处理软件CODE 欧洲定轨中心，瑞士 Bernese5.0ESOC 欧空局空间运行中心，德国 NAPEOSGFZ 德国波茨坦地学研究中心 EPOS.P.V2JPL 喷气推进实验室，美国 GIPSY/OASIS-IINOAA 美国国家海洋与大气管理局PAGESGPSCOMNRCan 加拿大自然资源局GIPSY/OASISII

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要应用于低轨卫星中。这种方法不用考虑卫星的动力学模型，是一种对卫星位置的几何逼近，所以不能对卫星的轨道进行外推（贺凯飞，2010）。另外还有一些方法将这两种方法进行综合，通过加权得到一个精度更高的卫星轨道，其根本还是依据动力学定轨和几何法定轨。1.2 国内外发展现状及发展趋势1.2.1 国内外发展现状在卫星定轨领域，国外相对于国内来说起步较早，许多机构都开发了高精度的定轨软件，如美国麻省理工学院（MIT）和 SCRIPPS 海洋研究所（SIO）共同开发的GAMIT/GLOBK 软件、美国喷气动力实验室（JPL）的 GIPSY 软件、瑞士伯尔尼大学研制的 Bernese 软件以及德国地学中心（GFZ）研制的 EPOS 软件等等。随着定轨技术的不断完善，各分析中心的定轨精度也不断提高，图 1.2 为部分 GPS 分析中心定轨精度的发展（李敏，2011）。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P228.4

【引证文献】