BDS精密定轨解算模型优化研究

摘要

中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制、独立运行的全球卫星导航系统。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口文件正式版正式公布，北斗导航业务正式为亚太区域用户提供无源定位、导航及授时服务；预计到2020年左右，BDS将完成全球组网并为用户提供定位、导航、授时与短报文通信一体式服务。
　　导航卫星的轨道产品是保障导航系统可用性及稳定性的基础，是导航系统应用与服务的前提，因此获取高精度的导航卫星轨道是BDS目前关注的研究重点。BDS由三类卫星组成，包括地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星以及中圆地球轨道卫星，其独特的星座构成使其在亚太区域定位、导航、授时等服务中更具优势，但这种异构性给BDS精密定轨带来众多挑战；同时，BDS还存在系统尚未建设完成、跟踪站尚未全球分布等诸多问题，使成熟的GPS精密定轨技术难以直接应用于BDS精密定轨。因此，针对目前BDS定轨面临的技术问题，优化BDS精密定轨的解算模型，获取高精度的BDS卫星轨道成为当前亟待解决的研究热点。基于此，本文开展了相关研究，主要的研究内容和创新点如下。
　　（1）研究总结了导航卫星定轨的原理、时空系统及其转换，分析了几何观测方程与误差改正方法，重点介绍了导航卫星运动方程、数值积分及摄动力模型，并给出了精密定轨的参数解算方法。
　　（2）为了较为全面地解决BDS精密定轨中跟踪站优选问题，鉴于跟踪站质量、几何分布、动力学参数三个因素，提出了基于数据综合质量的跟踪站选站优化方法，根据跟踪站先验质量、验后观测残差、坐标改正量构建数据综合质量信息库，并以次进行跟踪站的选站；基于地面站分布构型，提出了几何嵌套圆锥的地面跟踪站最优构型构建方法，得到观测弧长、跟踪站数量、覆盖范围和分布密度四个几何影响因子，并引入概率论的离散概率密度法定性分析了GEO/IGSO/MEO三类星座多历元轨道改进机理和构型优化；基于动力学参数构建动力学精度影响因子，从数值角度定量分析了跟踪站选站优化。利用仿真及实测数据，验证了这三种优化模型的合理性。
　　（3）从轨道积分和坐标框架转换方面定量分析了地球自转参数对精密定轨的影响，推导并给出了精密定轨中跟踪站构型对地球自转参数影响的数学模型。基于矩阵迹的特性，提出了定轨中地球自转参数解算的最优构型构建方法，得到跟踪站数量、分布两个精度影响因子，并基于实测数据验证了该方法的合理性。
　　（4）针对BDS运行周期不同、多天弧段解算问题，提出了分段线性的高分辨率地球自转参数解算模型；并据此进行初始极移的更新，进而对精密轨道进一步修正，实测数据表明，该方法有效地提高了BDS GEO/IGSO/MEO三类卫星轨道精度。
　　（5）为了解决兼容BDS的多GNSS系统精密定轨中时间基准统一问题，推导并给出了GPS、BDS、GLONASS、Galileo四系统系统间偏差和频率间偏差解算模型，提出了一种四系统时间基准统一方法和线性ISB/IFB参数解算模型；针对ISB/IFB参数的随机性，构建虚拟观测值的ISB/IFB随机参数解算模型。利用实测数据，从不同接收机、不同卫星、不同频率等方面，对精密定轨中BDS、Galileo、GLONASS的ISB/IFB参数特性进行了详细分析，结果显示，从线性及随机性两方面，各系统ISB/IFB参数均表现出了较好的稳定性。
　　（6）为了得到不同类别BDS轨道产品，研究了BDS“事后”和实时轨道解算策略，并评价了BDS轨道解算精度；提出了一种BDS实时轨道改正信息生成方法，有效地解决了BDS-2实时轨道IODE（Issue of Data，Ephemeris）匹配和天线相位中心改正问题；基于目前在轨运行的两颗北斗三号卫星，进行了B1C/B2a频点的精密定轨测试。

目录

第一个书签之前

中文目录

英文目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展及存在问题

1.2.1 北斗卫星导航系统发展

1.2.2 GNSS精密定轨研究现状

1.2.3 BDS精密定轨研究现状

1.2.4 BDS精密定轨存在的主要问题

1.3 本文主要研究内容

2 导航卫星精密定轨理论基础

2.1 导航卫星精密定轨方法

2.2 时空系统及其转换

2.2.1 时间系统及其转换

2.2.2 空间系统及其转换

2.3 几何观测方程与误差改正

2.3.1 几何观测方程

2.3.2 误差改正

2.4 卫星运动方程与数值积分

2.4.1 卫星运动轨道描述

2.4.2 卫星运动方程求解

2.4.3 数值积分

2.4.4 摄动力模型

2.5 精密定轨参数模型估计

2.6 本章小结

3 BDS精密定轨的跟踪站选站模型优化

3.1 地面跟踪站对BDS定轨的影响分析

3.2 基于数据综合质量的定轨跟踪站选站优化

3.2.1 跟踪站数据先验质量分析

3.2.2 跟踪站验后观测值残差和坐标改正量分析

3.2.3 基于数据综合质量的跟踪站优化

3.3 跟踪站最优几何构型构建与离散概率密度法构型优化

3.3.1 跟踪站几何构型精度因子模型

3.3.2 定轨最优几何构型构建

3.3.3 虚拟跟踪站的离散概率密度法选站优化

3.3.4 实例分析

3.4 基于动力学参数精度因子的跟踪站选站优化

3.4.1 动力学参数精度因子模型

3.4.2 基于动力学参数精度因子的跟踪站优化

3.4.3 实例分析

3.5本章小结

4 顾及地球自转参数的精密定轨模型优化

4.1 ERP对BDS定轨的影响分析

4.2 最优跟踪站几何构型的ERP解算

4.2.1 跟踪站构型对ERP影响数学模型

4.2.2 ERP解算精度因子分析及最优构型构建

4.2.3 实例分析

4.3 顾及高分辨率ERP模型的精密定轨

4.3.1 基于分段线性的高分辨率ERP估计

4.3.2 高分辨率ERP修正的精密定轨

4.3.3 实例分析

4.4 本章小结

5 兼容BDS的多GNSS精密定轨系统及频率间偏差模型优化

5.1 多GNSS时间基准统一及线性ISB/IFB参数估计

5.1.1 多GNSS时间基准统一及约束条件构建

5.1.2 ISB/IFB特性分析

5.2 多GNSS精密定轨的ISB/IFB随机模型优化

5.2.1 ISB/IFB随机参数模型

5.2.2 ISB/IFB虚拟观测值构建及参数估计

5.2.3 实例分析

5.3 本章小结

6 BDS定轨实验与结果分析

6.1 BDS“事后”和实时轨道确定

6.2 北斗三号精密轨道确定

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要工作与研究成果

7.2 后续研究与展望

参考文献

攻读博士期间主要成果

致谢