导航星座自主定轨的自适应处理与基准问题研究

发布时间：2017-10-28 01:00

  本文关键词：导航星座自主定轨的自适应处理与基准问题研究

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【摘要】：利用星间测量技术进行导航卫星自主定轨是目前导航领域研究的热点问题之一。本文主要围绕基于星间测量的导航星座自主定轨中的自适应处理与基准问题展开研究,具体工作如下：(1)导航星座分布式滤波定轨算法分析。导航卫星定轨模型是一个典型的非线性系统,应用扩展卡尔曼滤波对卫星分布式定轨模型进行解算。文中推导了卫星分布式定轨扩展卡尔曼滤波算法,给出了分布式定轨数据处理流程,通过建立仿真场景,得到了一些有益的结论。(2)针对基于星间测量的导航卫星定轨过程中存在星间观测粗差及动力学模型不准等异常情况,本文结合抗差M估计理论,分析比较了几种不同的抗差方案定轨效果,其中,IGG方案的抗差效果最优,适合应用于基于星间测量的导航卫星定轨中；在此基础上,本文结合自适应滤波理论,提出了导航卫星抗差自适应扩展卡尔曼滤波定轨方法；通过仿真验证,对比常规扩展卡尔曼滤波、抗差扩展卡尔曼滤波定轨方法,在给定条件下,抗差滤波定轨误差在常规滤波定轨方法的基础上误差改善率达11.0%,抗差自适应滤波定轨误差在常规滤波定轨方法的基础上误差改善率达72.4%。仿真结果表明,抗差自适应滤波定轨算法不但可以抵制星间观测异常干扰,还可以调节动力学模型和观测值对滤波的贡献,提高定轨精度。(3)基于星间测量的导航卫星组网定轨实质上是一个自由网解算问题,若轨道参数在最小二乘的准则下进行估计,则得不到唯一最优解。根据测量平差理论和方法,该问题的本质是缺乏星间基准。针对星间测量的基准问题,本文从数学的角度,分析了星间观测自由网秩亏的成因,提出基于虚拟基准的星座整网定轨算法,该算法中将卫星的轨道动力学信息作为星座整网的先验信息,在最小二乘的基础上添加最小范数约束,形成星座整网的虚拟基准。最后以典型Walker星座为例进行整网自主定轨仿真验证。结果表明,在初始位置误差1米,星间测量噪声0.1米,不考虑钟差条件下,星座自主运行5天,每颗卫星的定轨误差均小于0.8米,星座平均定轨误差小于0.5米,验证了本文方法的有效性。
【关键词】：自主定轨 星间测量 抗差自适应估计 卡尔曼滤波 星座基准
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 卫星轨道估计理论发展11
• 1.3 导航星座自主定轨研究现状11-14
• 1.3.1 国外研究现状11-12
• 1.3.2 国内研究现状12-14
• 1.4 主要研究内容14-15
• 第2章 基于扩展卡尔曼滤波的导航星座自主定轨算法15-32
• 2.1 扩展卡尔曼滤波原理15-17
• 2.2 系统的测量方程17-20
• 2.2.1 星间伪距测量原理17
• 2.2.2 星座拓扑链路可见性分析17-19
• 2.2.3 系统的观测方程求解19-20
• 2.3 系统的状态方程20-25
• 2.3.1 卫星轨道动力学模型20-22
• 2.3.2 系统状态方程求解22-23
• 2.3.3 轨道积分计算23-25
• 2.4 基于扩展卡尔曼滤波的定轨算法设计25-29
• 2.4.1 导航星座滤波定轨算法设计25-27
• 2.4.2 算例验证27-29
• 2.5 模型误差对定轨结果影响分析29-31
• 2.5.1 系统模型噪声对定轨结果影响29-31
• 2.5.2 星间观测异常对定轨结果影响31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 考虑异常情况的导航星座自适应滤波定轨算法32-46
• 3.1 抗差估计32-36
• 3.1.1 抗差M估计原理33-34
• 3.1.2 抗差M估计方案分析34-36
• 3.2 抗差扩展卡尔曼滤波定轨算法36-39
• 3.2.1 基于M估计的抗差扩展卡尔曼滤波定轨算法36-37
• 3.2.2 不同抗差扩展卡尔曼滤波定轨方案比较分析37-39
• 3.3 抗差自适应扩展卡尔曼滤波定轨算法39-42
• 3.3.1 抗差自适应扩展卡尔曼滤波算法设计39-40
• 3.3.2 构建自适应因子40-42
• 3.4 仿真验证42-44
• 3.4.1 星间观测存在异常值的定轨分析42-43
• 3.4.2 动力学模型存在异常的定轨分析43-44
• 3.5 本章小结44-46
• 第4章 基于虚拟基准的导航星座自主定轨算法研究46-56
• 4.1 星间观测基准问题46-50
• 4.1.1 秩亏自由网基准问题分析46-47
• 4.1.2 星间测量中卫星网基准确定47-50
• 4.2 基于虚拟基准的整网定轨方法50-55
• 4.2.1 星座整网定轨方法设计50-52
• 4.2.2 仿真分析52-55
• 4.3 本章小结55-56
• 总结与展望56-58
• 参考文献58-61
• 致谢61-62
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文62

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本文编号：1105933