基于星间链路的导航星座整网自主定轨技术研究

摘要

卫星精密定轨是卫星导航系统得以正常运行的重要基础。目前,GPS系统实现精密定轨是通过全球均匀分布的观测站对卫星进行长期连续跟踪观测,经由IGS分析解算得到每颗卫星的精密轨道。由于政治原因,我国无法像GPS系统一样在全球均匀布设观测站,因而无法通过对北斗导航(BDS)卫星的长期连续观测进行精密定轨。自主定轨是未来导航系统的发展趋势,也是解决制约我国全球导航事业发展难题的重要办法。因此,论文围绕星间链路自主定轨和X射线脉冲星辅助定轨的关键技术进行了系统地研究,详细讨论了组合定轨中尚未解决的技术性难题,提出了两种相应的误差控制解决方法,旨在提高导航卫星长期自主定轨的轨道精度。主要研究内容如下:
　　1、论文首先从卫星轨道的时空模型出发,分析了导航星座自主定轨中需要用到的时间系统、坐标系统及相互间的转换。在此基础上,对星间观测频段的选择进行了细致研究。并且,针对自主定轨模型中存在的非线性和不稳定性特点,确定了以平方根UKF为星载滤波器的定轨解算方法。
　　2、其次,论文对北斗MEO卫星的星间观测网络进行了详细设计。针对两种典型频段的天线特性,分别从静态扫描模式和动态扫描模式对存在约束的星间观测链路的可见性进行了深入讨论。在此基础上,设计了两种不同天线数量的链路拓扑结构。并基于设计的链路结构,采用真实的卫星数据对星间链路自主定轨的定轨效果进行了仿真验证,分析了定轨中存在的不足。
　　3、然后,论文为解决星间观测自主定轨中存在的绝对基准问题,研究了基于X射线脉冲星的辅助定轨技术。考虑到由于脉冲星观测技术限制而造成的脉冲星定轨精度误差较大的问题,论文重点分析了影响辅助定轨精度的主要误差—星表方位误差,并对星表方位误差的估计算法进行了深入研究。在此基础上,提出了一种基于星表方位误差改正的X射线脉冲星定轨算法来提高辅助定轨精度。
　　4、最后,论文深入研究了基于星间链路和X射线脉冲星的组合定轨算法。针对联邦卡尔曼滤波器无法将精度相差较大的两组定轨数据进行有效融合的问题,提出了一种级联组合定轨算法,利用脉冲星辅助定轨中得到的带有绝对基准的先验信息,代替星间链路自主定轨原有的轨道先验信息,以级联滤波的思想完成两种自主定轨结果的有效融合。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2 导航卫星自主定轨的研究现状

1.3 课题的提出和研究内容

1.4 论文结构

第二章 导航卫星自主定轨的基本模型

2.1 引言

2.2 星间链路自主定轨的原理

2.3 卫星动力学时空基准模型

2.4 星间观测频段的选择

2.5 自主定轨滤波器选择

2.6 本章小结

第三章 星间观测网络设计与自主定轨性能分析

3.1 引言

3.2 星间链路网络结构分析

3.3 静态扫描模式下的星间约束链路设计

3.4 动态扫描模式下的星间约束链路设计

3.5 卫星轨道预推建模

3.6 星间双向测距建模

3.7 星间链路自主定轨性能分析

3.8 本章小结

第四章 X射线脉冲星辅助定轨算法设计

4.1 引言

4.2 脉冲星定轨观测模型

4.3 脉冲星定轨的误差估计

4.4 基于星表误差修正的辅助定轨算法设计

4.5 数值仿真分析

4.6 本章小结

第五章 级联组合定轨算法设计

5.1 引言

5.2 联邦滤波对误差的不敏感性

5.3 级联定轨算法设计

5.4 级联组合定轨仿真分析

5.5 本章小结

第六章 结束语

6.1 本文工作总结

6.2 研究前景展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果