星载GPS实时定轨方法研究

摘要

该文重点研究星载GPS单点实时定位和基于单点定位结果的动力学定轨方法.首先研究了GPS定位中的几个实际问题.针对Klobuchar电离层改正模型精度较差的问题,提出了定常因子修正法;由于发现在观测数据中存在负仰角卫星而造成定位精度大大下降,该文提出在定位时应剔除负仰角卫星,从而改善观测几何,提高定位精度;鉴于初始值对定位有较大影响,该文指出随着定位时间间隔的增加,尤其是大于5秒后,应先用直接法求初值,然后再迭代计算.提出了改进的相位平滑伪距定位方法,整个平滑过程是分段进行的,而且当平滑进行到一定程度时,将加权因子冻结,以保持当前观测值的权重.结果表明,当冻结因子为10~15时,平滑效果较好.提出了无电离层影响的定位方法,该方法通过对DRVID模型进行变换,消除了电离层的影响.结果表明,采用该方法能够显著地提高定位精度,改善约2~5 m.研究了基于单点定位结果的动力学定轨方法,实现了利用动力学模型平滑定位轨迹,极大地减少了定位的随机误差,提高了定轨精度.提出了以最小二乘为伴随估计器的改进的卡尔曼滤波算法,该算法的优点是在几乎不增加计算量的基础上实现对滤波状态的监视和抑制发散,实时性较好.对定轨算法及其主要影响因素,如地球引力场、大气阻力、采样间隔和滤波参数等进行了深入分析,并得出一些重要结论.总之,经过神舟四号飞船实测数据计算和精密星历检验,表明该文提出的各种定轨方法可以较好的提高定轨精度,减少随机噪声,所得出的结论对于实际应用具有重要的参考价值,并为将来的应用奠定了坚实的技术基础.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1选题的背景和意义

1.2 GPS系统及其发展

1.3 GPS在定轨方面的应用

1.4 GPS定位(轨)的主要方法

1.5本文的主要研究内容

1.6说明

第二章时间和坐标系统

2.1时间系统

2.2坐标系统

2.2.1地心惯性坐标系（ECI）

2.2.2地固坐标系（ECF）

2.2.3世界大地坐标系（WGS-84）

2.2.4地心轨道坐标系（SO）

2.2.5地心拱线坐标系（SP）

2.2.6第二轨道坐标系（SO）

2.2.7卫星本体坐标系（Sb）

2.2.8大地坐标系

2.2.9站心坐标系

2.3主要坐标系之间的转换

2.3.1地心惯性坐标系和地固系间的转换

2.3.2地心拱线坐标系转换到地心惯性坐标系

2.3.3大地坐标系转换到地固坐标系

2.3.4地固坐标系转换到大地坐标系

2.3.5第二轨道坐标系转换到轨道坐标系

2.3.6地心惯性坐标系转换到轨道坐标系

第三章GPS观测量及误差改正

3.1伪距观测方程

3.2载波相位观测方程

3.3多普勒频移观测方程

3.4 GPS导航电文

3.4.1 GPS卫星的位置确定

3.4.2 GPS卫星的速度确定

3.5观测误差改正

3.5.1 GPS卫星钟差

3.5.2相对论效应

3.5.3电离层改正

3.5.4光行差校正

3.5.5地球旋转校正

3.5.6相位中心改正

3.5.7其它误差

3.6本章小结

第四章基于最小二乘法的GPS实时定位

4.1单历元伪距实时定位

4.2定位(轨)精度评定

4.3定位中的几个实际问题

4.3.1选星问题

4.3.2周跳检测

4.3.3直接法求初始值

4.4改进的相位平滑伪距定位方法

实例分析

4.5无电离层影响的实时定位方法

实例分析

4.6本章小结

第五章定轨中的数值方法和状态估计方法

5.1插值方法

5.1.1二次插值

5.1.2多项式插值

5.2常微分方程数值积分

5.3卡尔曼滤波

5.3.1推广的卡尔曼滤波

5.3.2卡尔曼滤波的初始值问题

5.3.3卡尔曼滤波的发散问题

5.4本章小结

第六章基于单点定位结果的动力学定轨

6.1状态方程

6.2测量方程

6.3动力学模型

6.3.1地球引力场模型

6.3.2大气阻力模型

6.4定轨中的几个基本计算

6.4.1根据轨道根数求位置和速度矢量

6.4.2根据位置和速度确定轨道根数

6.4.3太阳位置的近似计算

6.5状态转移矩阵

6.6改进的卡尔曼滤波算法和定轨过程

6.7实例分析

6.7.1地球引力场的影响

6.7.2大气阻力的影响

6.7.3采样间隔的影响

6.7.4卡尔曼滤波参数的影响

6.8本章小结

第七章全文总结与展望

7.1主要研究成果

7.2主要创新点

7.3展望

附录

附录一 常数表

附录二 WGS-84 大地坐标系

附录三 算例数据文件说明

参考文献

博士期间发表的文章

博士期间所获奖励

致谢