北斗轨道实时拟合算法研究

摘要

北斗卫星导航系统是我国自主建设为全球用户提供全天候、全天时、高精度定位、导航和授时服务的重要空间基础设施。空间部分是由IGSO、MEO、GEO组成的混合星座，不同于GPS、GLONASS、GALILEO等卫星导航系统。随着北斗实时精密定位服务的发展和应用，对卫星轨道位置的实时性和精度有了迫切的需求。各大数据分析中心提供了不同实效的高精度BDS轨道产品，分别为超快速轨道、快速轨道以及最终轨道产品。但存在一定的时延，并且采样间隔大，一般为15min或者5min，无法满足用户实时获得任意时刻高精度轨道信息的需求。为了快速精确的获得BDS卫星轨道位置，本文对BDS在轨精密轨道实时拟合算法进行应用研究，主要从拟合算法适用性和实时拟合预报精度两方面展开研究分析。针对BDS系统混合星座的特殊性，采用勒让德多项式拟合法、非线性多项式函数曲线拟合法、切比雪夫多项式拟合法对北斗GEO、IGSO、MEO卫星轨道拟合可行性和适用性分析。选取较优的切比雪夫多项式拟合法实时拟合预报BDS轨道，并对实时拟合预报过程中存在的问题，进行优化改进。主要研究内容如下:
　　(1)总结概述了BDS卫星导航系统理论知识，包括GEO、IGSO、MEO三星座的轨道情况、卫星运动数学方程、运动受力影响因素以及BDS时间与坐标系统、卫星星历等，并分析了卫星轨道误差对单点定位和相对定位的影响。详细阐述了勒让德多项式拟合法、非线性多项式函数曲线拟合法、切比雪夫多项式拟合法的基本原理及模型推导。
　　(2)针对BDS独特的星座特点，用勒让德多项式拟合法、非线性多项式函数曲线拟合法、切比雪夫多项式拟合法三种拟合方法对BDS卫星GEO、IGSO、MEO的精密轨道(gbmxxxx.sp3)进行拟合精度和适用性分析研究。详细的从拟合阶数、拟合弧段时长、拟合历元间隔三个方面对北斗GEO、IGSO、MEO轨道进行拟合分析。
　　(3)进行BDS轨道实时拟合应用分析，主要采用了切比雪夫多项式拟合法对BDS卫星GEO、IGSO、MEO超快速轨道(wumxxxx.sp3)进行实时拟合。针对切比雪夫多项式拟合法在拟合应用时出现拟合弧段两端端点处误差较大，震荡的现象，进行优化分析。创新性采用一种将滑动窗口思想结合高低阶组合的优化切比雪夫拟合法进行轨道拟合，并与普通的切比雪夫多项式拟合法进行对比。经实验数据分析验证，优化切比雪夫拟合法在拟合区间端点处的震荡现象得到了减弱，拟合的结果较为稳定，且拟合精度均在mm级。
　　(4)采用普通的切比雪夫多项式拟合法对BDS轨道实时短时预报，结果与WHU提供的预报轨道精度对比，分析了普通切比雪夫多项式拟合法预报精度差的原因。采用结合滑动新陈代谢和抗差思想的改进切比雪夫拟合法，进行实时短时预报。实验结果表明在中长弧段18:00:00-23:45:00内短时预报1小时，其预报精度在分米级，且Z方向预报精度较好于X、Y方向。在短时预报半小时以内，预报综合精度优于提供的实时预报精度2cm。采用实测得到的BDS观测数据，结合用优化切比雪夫拟合法拟合的标准化轨道，进行北斗PPP定位解算，验证了优化方法的可行性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

1．4 本文的结构安排

第2章 BDS卫星轨道拟合基础理论

2．1 BDS卫星轨道理论

2．1．1 卫星运动方程

2．1．2 主要摄动力

2．1．3 时间系统与坐标系统

2．2 卫星星历

2．2．1 广播星历

2．2．2 精密星历

2．3 卫星轨道误差对定位的影响

2．3．1 卫星轨道误差对单点定位的影响

2．3．2 卫星轨道误差对相对定位的影响

2．4 常见卫星轨道拟合方法

2．4．1 非线性多项式函数曲线拟合法

2．4．2 切比雪夫多项式拟合法

2．4．3 勒让德多项式拟合法

2．5 本章小结

第3章 BDS卫星轨道拟合方法算例分析

3．1 实验数据来源

3．2 精度评价指标

3．3 GEO／IGSO／MEO卫星轨道拟合实验分析

3．3．1 拟合阶数对BDS轨道拟合精度影响分析

3．3．2 拟合弧长对BDS轨道拟合精度影响分析

3．3．3 拟合历元间隔对BDS轨道拟合精度影响分析

3．4 本章小结

第4章 切比雪夫拟合BDS实时轨道及优化分析

4．1 数据来源

4．2 切比雪夫拟合实时轨道精度分析

4．3 优化切比雪夫拟合方法的建立及精度分析

4．3．1 优化切比雪夫拟合方法的建立

4．3．2 优化切比雪夫拟合方法的精度分析

4．4 本章小结

第5章 切比雪夫实时预报BDS轨道及改进分析

5．1 切比雪夫实时预报BDS轨道精度分析

5．2 切比雪夫预报方法改进及精度分析

5．2．1 切比雪夫预报改进方法的建立

5．2．2 改进方法预报精度分析

5．3 优化方法的实际应用

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果