星载GPS低轨卫星简化动力学精密定轨方法研究

发布时间：2020-06-22 08:33

【摘要】：低轨卫星精密定轨方法和数据处理技术一直是卫星大地测量领域的研究热点。1982年发射的Topex/Poseidon(T/P)卫星首次成功实现了低轨卫星星载GPS精密定轨,其全球轨道径向精度3.5 cm。此后,星载GPS定轨技术被广泛应用于各种低轨卫星任务如Jason系列海洋测高卫星、GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)卫星、GOCE(Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer)重力卫星、Swarm A/B/C卫星、海洋二号(HY-2A)卫星和风云三号(FY-3C)遥感卫星等。当前地球重力场探测、海洋测高、遥感测图、大气探测等研究领域对低轨卫星轨道确定的精度、可靠性和实时性提出了更高的要求。目前低轨卫星精密定轨方法还存在一些问题:星载GPS数据周跳探测是星载GPS低轨卫星精密定轨的关键问题之一,现有的星载GPS周跳探测方法在某些情况(如特殊的周跳组合、同一历元多颗GPS卫星观测值发生周跳)下会失效;简化动力学定轨虽然已简化了卫星轨道动力学模型,精度优于运动学轨道解,但计算仍较繁琐,不利于其实时应用。因此研究更稳定可靠的星载GPS数据周跳探测和修复方法以及星载GPS低轨卫星精密定轨方法具有重要意义。在此研究背景下,本文系统研究星载GPS低轨卫星定轨的基本理论和方法,提出基于轨道动力学信息约束的星载GPS载波数据的周跳探测和修复方法,提出基于轨道历元间二次差分约束的星载GPS低轨卫星简化动力学精密定轨的理论和方法,研制星载GPS低轨卫星精密定轨数据处理软件包。论文的主要工作和成果概括如下:1.简要总结了现有的星载GPS低轨卫星科学任务、低轨卫星定轨方法,以及星载GPS数据周跳探测方法;并分析了目前星载GPS低轨卫星精密定轨中存在的问题。2.详细阐述了星载GPS低轨卫星精密定轨涉及的基础理论。包括时间系统和坐标系统、星载GPS观测方程、星载GPS主要误差源和改正、星载GPS低轨卫星精密定轨方法、低轨卫星轨道动力学模型和数值积分器等内容。为下一步研究新的星载GPS数据周跳探测方法和新的星载GPS低轨卫星定轨方法奠定基础。3.提出了一种基于卫星轨道动力学信息约束的星载GPS数据周跳探测和修复方法,深入分析讨论了其函数模型。并成功应用于GRACE和GOCE实测星载GPS载波数据中的周跳探测和修复。结果表明:本文提出的DLc周跳探测和修复组合,利用载波无电离层组合Lc建立历元间二次差分观测值,避免了引入较大的伪距测量噪声,仅对小部分特殊周跳组合(60k,77k),k=±1,±2,…不敏感,具有很好的小周跳探测效果。该方法不依赖于伪距精度,不受电离层变化影响;采用DLc组合和MW组合联合进行星载GPS载波观测数据周跳探测和修复,对于1 s、5 s和10 s的采样间隔,其周跳探测成功率分别为99.9,99.8和99.6%,周跳修复成功率分别为99.9,99.7和98.4%。4.提出了一种基于轨道历元间二次差分约束的星载GPS低轨卫星简化动力学精密定轨方法。该方法提出将轨道历元间二次差分作为动力学约束观测方程,联合星载GPS数据进行定轨。与现有的动力学定轨方法和简化动力学定轨方法相比,该方法动力学模型简单,可不考虑地球重力场以外各种小摄动力的影响,不需要估计伪随机参数,可显著的提高计算效率;与运动学相比,轨道解更稳定平滑,精度也更高。5.以GOCE卫星为例,深入分析探讨了低轨卫星在空间中所受的摄动力量级,及其对轨道历元间二次差分计算的影响。结果表明:除地球重力场外的各种摄动力(如地球固体潮、海潮、极潮、日月引力等)均小于10-5 ms-2;在30 s采样间隔时,仅考虑EGM2008模型90阶次位系数,积分计算轨道历元间二次差分的精度优于1 cm。6.深入研究了星载GPS低轨卫星运动学定轨方法,利用GOCE卫星的实测数据对低轨卫星运动学精密定轨方法进行了测试验证,结果表明:本文运动学轨道解与ESA(European Space Agency)提供的PRD(PreciseReduced-dynamic Orbit Determination)轨道的差异,在径向RMS(RootMean Square)优于2.9 cm;平均3D RMS优于4.2 cm。7.利用GOCE卫星的实测数据对新的简化动力学定轨方法进行了测试验证,结果表明:本文提出的方法其轨道解与ESA提供的PRD轨道的差异在径向、切向和法向的3天平均RMS为1.9 cm,1.2 cm和1.2 cm;平均3D RMS为2.5 cm;12天的3D-RMS均在3 cm左右,其平均3D-RMS为2.97 cm。8.研制了一套星载GPS低轨卫星精密定轨软件系统。具备基于星载GPS数据精密预处理、伪距及动力学平滑伪距的单点定轨、运动学精密定轨、基于轨道历元间二次差分约束的简化动力学精密定轨等功能。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P228.4
【图文】：

卫星星座,低轨卫星

图 1.1 GPS卫星星座(引自www.gps.gov)S 低轨卫星任务射的地球资源卫星 LANDSAT-4，卫星轨道高PS 接收机。其搭载的是单频 GPS 接收机，不能定轨精度不佳。Topex/Poseidon(T/P)卫星是由美ics and Space Administration, NASA)和法国国家tudes Spatiales, CNES)共同研制的海洋测高卫星频 6 通道 GPS 接收机，轨道高度 1336 km。T/密定轨，其全球轨道径向精度 3.5cm，精度与该结果表明：星载 GPS 技术能应用于低轨卫星PS 技术被广泛应用于各种低轨卫星任务,如：

卫星,星载,微波测距

图 1.2 CHAMP 卫星(引自 NASA)图 1.3 GRACE 卫星(引自 JPL)星由美国 NASA 和德国 GFZ 共同研制，于 2002 年 3 kJack GPS 接收机、星载加速度计和 K 波段微波测距系相同的卫星 A/B 编队飞行，轨道高度约 500 km，星间距约卫星提供的星载 GPS 数据，J ggi 等(2007)采用非差和双

【参考文献】