高轨道导航卫星广域差分方法研究及软件设计

摘要

卫星导航系统的广域差分方法具有作用范围大、定位精度高且差分效果均匀等优点，已成为提高卫星导航系统性能最有效的手段之一，是卫星导航系统的一个非常重要的发展方向。我国正在建设的北斗卫星导航系统采用由静地同步卫星（GEO）、倾斜轨道卫星（IGSO）和中轨道卫星（MEO）组成的混合星座，由于GEO和IGSO卫星的轨道面高，从相同地面网观测 GEO和 IGSO卫星的几何精度因子（Geometric Dilution Precision，GDOP）比观测MEO卫星大几倍，如果采用传统的广域差分方法，误差范围也会扩大几倍，这样的差分精度难以满足实际需求。同时，由于GEO和IGSO卫星在轨道面上定点位置需要保持在一定精度范围，比MEO卫星轨道机动控制频繁得多，因此不能采用传统的中低轨道卫星数据长时间平滑方法。而且，由于高轨道卫星受到太阳、月亮、地球的引力与中轨道卫星不同，其动力学参数会有所不同，不能直接采用 GPS的误差限制策略。因此，本文研究适合高轨道卫星导航星座的广域差分方法具有重要意义。 对流层延迟、电离层延迟、星钟误差和广播星历误差是广域差分方法需要解决的关键问题。本文提出的高轨道导航卫星广域差分方法，采用基于不敏卡尔曼滤波（Unscented KalmanFilter，UKF）的RTS平滑（Rauch-Tung-StriebelSmoother）算法将伪码噪声抑制到一个很低的水平，而且收敛速度快。采用Saastamoinen模型和Niell映射函数求解对流层延迟，实现对流层延迟误差的精确改正。针对格网电离层模型对地形平坦、版图规整要求较高的缺点，提出电离层延迟误差的聚类插值改正方法，该方法的核心是根据密度聚类将电离层监测点划分为若干个簇和噪声点，用簇内所有监测点的垂向总电子含量（vertical total electron contents，VTEC）插值得到簇内穿刺点的VTEC，将噪声点附近的监测点连接成若干个三角形，用最短距离三角形的三个顶点插值得到簇外穿刺点的VTEC，从而避免建立规则的格网监测点。并通过实验验证了电离层延迟误差的聚类插值改正方法的准确性。针对星钟和星历误差，本文继承了星钟和星历误差分离的思想，对于星钟误差，采用一站式误差综合改正方法，对于星历误差，提出低次曲面模型改正方法，实验分析表明这种模型能获得良好的改正效果。同时，结合地面差分站的优化布局提高了星历误差的改正精度和定位均匀性。 最后，根据本文提出的高轨道导航卫星广域差分方法，设计了一套广域差分软件。软件由测量数据预处理、差分数据综合解算、气象数据处理、差分改正效果评估四大模块组成，结合优化布局后的11个地面差分站，能将5颗由GEO和IGSO卫星组成的混合星座导航卫星的定位偏差修正到1m以内。 本文提出的广域差分方法，在高轨道导航卫星差分增强领域具有创新价值，其中，电离层延迟误差的聚类插值改正方法和星历误差的低次曲面模型改正方法是本文最突出的两个创新点。本文设计的广域差分软件和差分站优化布局方案可以为我国卫星导航系统的广域差分增强系统建设提供一种参考。

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第一章 绪论

§1.1研究背景与意义

§1.2国内外研究现状

§1.3本文研究内容

§1.4论文组织结构

第二章 传统广域差分方法概述

§2.1卫星定位原理

§2.2卫星定位系统主要误差

§2.3差分定位技术

§2.4传统广域差分方法

§2.5传统广域差分方法的局限性

§2.6本章小结

第三章 高轨道导航卫星广域差分方法

§3.1伪码噪声平滑

§3.2对流层延迟误差处理

§3.3电离层延迟误差的聚类插值改正

§3.4星钟误差一站式综合改正

§3.5星历误差的低次曲面模型改正

§3.6差分定位精度与仿真

§3.7本章小结

第四章 高轨道导航卫星广域差分软件设计

§4.1软件概述与设计指标

§4.2差分测量数据预处理模块设计

§4.3差分数据综合解算模块设计

§4.4差分气象数据处理模块设计

§4.5差分改正效果评估模块设计

§4.6数据库设计

§4.7本章小结

第五章 结论与展望

§5.1主要内容及结论

§5.2工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果