单颗导航卫星及探月飞行器的轨道确定研究

发布时间：2020-08-19 10:40

【摘要】： 继美国的全球定位系统(Global Position System—GPS)，俄罗斯的GLONASS系统，以及欧盟的Galileo计划之后，中国也正在筹建自己的下一代全球卫星导航定位系统。导航卫星的轨道信息是定位的基本要素，其误差会直接影响到用户定位的精度。本文采用数值仿真和实测数据分析相结合的方法，考察了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。本文并没有利用地面跟踪站观测数据中的钟差信息，也没有去估算相关钟差，而是直接采用历元间差分算法，即将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据，进而消除钟差的主项(低频)误差，并对积分Doppler数据建立测量模型。仿真分析表明，此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛，并且相比于直接利用伪距资料定轨(不解算钟差参数)，该算法可以提高定轨和轨道预报精度。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度，本文利用实测的GPS数据进行轨道确定计算。首先，随机选取了GPS星座中的PRN-02星，详细分析了不同的观测弧段、台站分布、观测类型、观测精度、以及不同的先验轨道误差时的卫星定轨情况。最后，我们选取GPS星座中的多颗卫星进行定轨计算和统计分析。计算结果表明：在不解算卫星钟差的前提下，采用历元间差分算法，利用国内观测台站三天的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨，其平均径向精度优于10米，利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13.8米。此外，针对我国正在实施的探月计划“嫦娥一号”工程，本文采用仿真模拟计算的方法，在我国USB测控网和VLBI跟踪网的现有空间分布和尽可能接近真实情况的测量误差源的前提下，采用统计打靶的方法对影响环月、落月飞行器定轨精度的主要误差源进行讨论和分析，结果表明：月球重力场误差是影响探月飞行器定轨精度的主要误差源，采用减缩动力学法定轨能够吸收部分月球重力场误差，可以明显提高探月飞行器的定轨精度和轨道预报精度。最后，探讨了观测资料类型、飞行器轨道类型、月球重力场误差以及观测高度角等对探月飞行器定轨精度的影响，并得出了一些有用的结论。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海天文台）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：P173.1
【图文】：

天球坐标系,地心

图2.2地心天球坐标系下USB测距的儿何关系图2.3地心天球坐标系下人造天体VLBI观测的儿何关系2.2.2动力学模型卫星在空间的运动过程中，会受到很多力的影响，在这些力当中，地球对卫星的作用力是最重要的。如果地球质量均匀分布，则它对外部某处一质点的引力等于其质量相等的质点所产生的引力。由于GPS等导航卫星轨道离地面较高，大气阻力与类阻力的影响几乎没有。地球的自转形变摄动、地球反射辐射压力、地球扁率摄动、月球扁率间接摄动和相对论效应摄动都可忽略不计，因此定轨时考虑的作用力主要包括:地球质心引力、除质心外的引力、太阳和地球引力、太阳辐射压力、地球潮汐附加力等(周忠漠等，1994;王解先，1997;李智等，1999;曾清凉，1986;许其凤，1989)。对于探月飞行器，在飞行过程中除了受到地球中心引力和月球中心引力外，

天球坐标系,天体,地心,引力

残差图,残差,摄动,广义相对论

有利于及时引用新提出的数学模型等。本文前半部分的仿真计算工作就是基于此软件完成的。软件的理论基础是人造地球卫星轨道动力学理论、高精度的数值积分方法、以及最小二乘原理等，本软件采用FOTRAN语言双精度格式编写，软件中涉及的主要模块包括:文件操作:开关表文件、观测数据文件、星历表文件、引力场文件、E即文件等等;常数系统;时间系统;坐标系统;观测模型:测距:潮汐引起的台站坐标修正、大气折射改正、对流层折射修正、广义相对论修正、天线偏置修正、测站偏心修正;轨道摄动模型:地球非球形摄动、日月引力摄动、太阳辐射压摄动、大气阻力摄动、地球反照辐射压摄动、广义相对论摄动;运动方程轨道积分器:RK78积分器;批处理模块:线性无偏最小方差估计;待估计参数设定等模块组成。输入GEODYNn模拟的测距观测数据，在同样的初轨和动力学模型下积分，得到测距残差:

【引证文献】