基于时差的卫星定轨技术研究

发布时间：2020-07-26 09:09

【摘要】：卫星定轨技术研究一直都是航天领域的重要课题之一,在导航定位、卫星控制等众多方面具有重要的意义。卫星定轨技术大部分都为光学、干涉测角和GPS辅助定轨等,而通过地面站直接对卫星进行无源定轨的方法较为局限,值得进一步研究。同时,同步轨道卫星距离地球表面较远,它的运动受各种摄动力的影响,定轨精度难以保证。本文就提出了一种基于时差的卫星定轨方案,仅需要依靠3个地面站测量的时差数据就能确定同步轨道卫星初轨,该方案主要通过构建卫星轨道方程把3站时差的欠定问题补充完整,仿真实验表明定轨误差在百米级别。本文研究的内容主要包含以下几点:1.研究天体运动中常见的时间系统和坐标系统,编程实现了IAU1980标准下的参考系转换过程并验证其中的转换误差。研究了由天体动力学原理推导出的卫星六个轨道根数,以此实现了各种不同的卫星轨道模型,通过对各种轨道的对比实验选取了适合卫星定轨中使用的卫星轨道模型。2.推导出了时差方程关于卫星轨道根数的CRB界求解公式,并使用CRB界变换引理把该CRB界转换为卫星位置的CRB界。接着通过仿真实验讨论了地面站个数、卫星轨道模型、时差噪声强度、积累时长和数据间隔对卫星定轨CRB界的影响,在一定程度上验证了该方案的可行性。3.推导了牛顿法对时差方程组的求解公式,并改进了时差方程组以减小模型误差对轨道根数求解结果的影响,最终提出了一种可实现的卫星定轨方案。该方案主要包括初值确定、根数解算、轨道拟合、参数更新这四个步骤。通过求解轨道根数估计值的RMSE验证牛顿法对它们解算的准确度,再利用定轨方案对卫星不同的轨道数据进行拟合,并修改不同的实验条件确定了该方案的拟合误差符合定轨需求。4.针对同步轨道卫星在定轨过程中存在的多个问题提出了解决方案:避免了求解轨道半长轴时带入信息矩阵的奇异性;调整了搜索对象来消除近圆轨道产生的近地点模糊的问题;使用时间积累提高了方程组方程数;通过对观测数据进行重叠时间处理,解决了拟合轨道中可能出现的发散问题。5.为卫星定轨算法编写了可视化的用户界面。该界面简化了用户的操作,方便快捷地对卫星进行定轨解算。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V412.41;V52
【图文】：

卫星轨道

近地点幅角（Argument of Perigee）偏近点角（ Eccentric Anomaly ） a ,e确定了轨道椭圆的大小和轨道椭圆的形状，而 i , 和是轨道平参数和轨道椭圆的方向参数。i是赤道面与轨道平面的交角，当它大于从北往南观察是沿顺时针运动的，是从春分点到升交点的交角，从逆时针方向为正方向，这两个根数决定了卫星轨道平面的方位情况；方向的极角，一般指以卫星运动方向为正方向，从升交点到近地点的个轨道根数为卫星经过近地点的时刻pt ，但它通常是被三种近点角分别为真近点角（或 f ）、平近点角M 和偏近点角E 。真近点角星的向径从近地点起沿轨道运动方向扫过的角度，而常用的平近点角 E 都是为了方便描述卫星运动位置所构建的辅助角度，它们可以向相互转换， ( ) sinpM n t t E e E。三种近点角都随 t 而变化，以它们又被称为时间根数。我们后面所采用的卫星六个轨道根数大 , , , , )Te i E，如有其它含义会做出解释。为了方便理解，图 2-3 卫中标注出了各个轨道根数在实际情况中的具体表示[31]。

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电子科技大学硕士学位论文的搜索范围及搜索间隔。（c）模块包括数据操作部分和显示面板，其中数据操作部分主要是用于修改定轨过程中的一些参量，包括时差噪声，积累时长，拟合数据时长，数据间隔时长；在显示面板中罗列出了各个解算参量的值以及地面站的设置情况，并且在每次操作后都会显示出该操作的运行状态以及运行结果，方便用户判断当前状况；在显示面板下方便是操作按钮，包括站址坐标设置，初值搜索，拟合轨道，数据保存。而对于站址坐标设置，会弹出另一个界面进行单独操作，如图 4-10所示。

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站址坐标设置界面

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