基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨研究

摘要

卫星轨道参数的确定是卫星应用的基础。空间技术的飞速发展，对卫星轨道确定的实时性、自主性、精度和可靠性的要求也越来越高。同时，随着卫星数目的不断增多与空间安全需求，卫星自主定轨技术已经引起了人们的重视，是未来定轨方式的发展趋势。本文提出了一种基于非合作导航卫星信号和无码多普勒测速原理的轨道测定方法，主要内容如下：
　　为了在无码条件下获取较高精度的导航卫星信号的载波多普勒频移，首先分析了导航卫星信号的结构、下变频原理及消码过程；然后提出了一种基于相位补偿及数据块累加来增强信号，并结合FFT算法估计载波频率初值的方法；其次阐述了无码载波跟踪环路的工作原理，分析了在轨条件下多普勒频移对环路跟踪性能的影响；为了减小相近载波频率对跟踪结果的影响，提出并确定了环路的隔离度及隔离频率，并在此基础上，分析了环路阶数及参数的选择原则；最后，通过相位微分精密测量载波频率。仿真表明，在轨条件下，载波频率初值估计技术能够估计出满足跟踪环路带宽要求的频率初值；无码载波跟踪技术可以获取满足定轨精度要求的载波频率。
　　为了解决无码条件下的导航卫星识别问题，提出了一种基于多普勒频移特征的导航星识别方法：由无码载波跟踪环路可以获取多普勒频移实测值，由初始轨道参数及上注的导航星星历可以计算多普勒频移先验值；以实现两组频率一致对应为准则，研究并对比了基于三分法和二分法的快速估计频差的匹配算法；建立了易于计算、误匹配率低的匹配指标，并采用全局匹配、局部剔除的策略提高卫星识别的全局可信度；最后仿真表明，新提出的导航星识别匹配方案可行并具有一定的正确识别度，可以作为现有卫星识别技术的补充。
　　在高精度定轨方面，本文利用复杂度适中的卫星轨道运动模型建立了状态方程，利用载波频率测量系统获取的多普勒频移建立量测方程，设计EKF滤波器用于低轨卫星轨道参数的估计；仿真分析了初轨误差、导航卫星数目及观测精度对定轨结果的影响。最后，本文设计并搭建了基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨的半物理仿真实验平台，并对其关键算法进行了物理验证。
　　本文定轨方案为用户卫星在伪码未知的条件下，实现高精度、高可靠的定轨提供一种技术思路，有望成为现有自主定轨技术的补充。