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星载GPS卫星定轨中若干问题的研究

作　者: 吴江飞
导　师: 黄珹
学　校: 中国科学院研究生院（上海天文台）
专　业: 天体测量与天体力学
关键词: 低轨卫星 GPS 精密单点定位运动学定轨抗差估计 Unscented卡尔曼滤波非线性动力学平滑非线性自适应抗差滤波
分类号: P228.4
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

与传统的地基卫星跟踪系统不同，星载GPS能给低轨卫星提供相对经济、精确、连续和完整的跟踪。由于具有全球覆盖以及三维观测的特点，GPS系统给低轨卫星定轨提供了非常丰富的几何信息，利用星载GPS确定卫星的轨道已逐步成为低轨卫星轨道测定的一种主要手段。目前，关于星载GPS卫星定轨的研究已成为国内、外研究的一个热点，国际上许多著名机构都在积极地推进星载GPS定轨技术的发展，并已取得了较大进展。本文对星载GPS卫星定轨的有关问题进行了深入研究，主要研究了如下内容： 1．研究了星载GPS卫星运动学定轨的基本原理和方法，分析了各种运动学定轨法的优点和不足，讨论了星载GPS卫星运动学定轨及相关研究的进展。 2．研究了三种精密单点定位(PPP)模型，即传统模型、UofC模型和无模糊度模型，对它们进行了深入地分析、讨论，并分别将它们应用到CHAMP卫星星载GPS实测数据处理中，得到了各自的非差运动学定轨结果。轨道比较的情况表明，采用三种PPP模型的定轨结果都能达到厘米级的精度。从目前事后处理的情况来看，传统模型的定轨结果稍好一点；UofC模型的定轨结果次之，但与传统模型的结果相差不大；无模糊度模型的定轨结果稍差一点。三种PPP模型的区别，主要表现在对模糊度的处理上面。传统模型对组合模糊度直接迭代求解，虽然在事后处理中能获得较好的定轨结果，但由于迭代收敛较慢，这种模型不太适合于实时定轨；UofC模型可以分开估计两个载波上的模糊度，从而加快定轨结果的收敛，这种模型适于实时定轨，但由于在模糊度的解算方面仍面临一些困难，所以这一模型的优势没有完全体现出来；无模糊度模型干脆将模糊度全消除了，解算速度较快，这种模型适于实时定轨，但由此也引起新的问题，如观测资料利用率低、受数据中断的影响较大等。实际应用中，应根据定轨任务的要求来选取模型。 3．深入研究了抗差估计理论。并针对星载GPS不同于地面GPS所处环境，以及星载GPS卫星非差运动学定轨的特点，提出了将抗差估计应用于星载GPS卫星非差运动学定轨的新方案，一方面可以尽量保留来自每颗GPS卫星的观测值，保持较强的卫星几何强度，充分利用观测信息避免轨道求解出现奇异：另一方面，采用抗差估计中的等价权思想，有效地降低质量较差的观测值对定轨结果的不利影响，保证定轨精度。采用CHAMP卫星的实测GPS数据进行了定轨计算，与GFZ科学轨道比较结果显示，抗差估计结果比最小二乘估计结果在切向、法向和径向都有明显的改进，验证了新方案的可行性和有效性。在运动学定轨中，有效的卫星跟踪个数和好的GPS数据质量是很重要的。由于周跳和粗差可以大大的降低最终轨道的精度，因而周跳探测和粗差处理是运动学定轨处理中一项非

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
目录  9-12
第一章绪论  12-24
  1.1 卫星导航系统的发展  12-13
  1.2 IGS及其技术进展  13-14
  1.3 星载GPS定轨的研究现状  14-21
  1.4 本文研究的目的和主要内容  21-24
第二章星载GPS卫星精密定轨基础理论  24-46
  2.1 引言  24
  2.2 参考系统  24-28
    2.2.1 时间系统  24-26
    2.2.2 坐标系统  26-28
  2.3 动力学模型  28-37
    2.3.1 引力摄动模型  28-34
    2.3.2 非引力摄动模型  34-37
    2.3.3 非引力摄动的观测——加速度计数据  37
  2.4 星载GPS观测数据模型  37-46
    2.4.1 基本观测模型  37-38
    2.4.2 几种常见的线性组合  38-40
    2.4.3 主要误差源及改正模型  40-46
第三章星载GPS卫星非差运动学定轨模型及分析  46-66
  3.1 引言  46-47
  3.2 星载GPS卫星运动学定轨简述  47-54
    3.2.1 非差运动学定轨法  48-50
    3.2.2 双差运动学定轨法  50-53
    3.2.3 三差运动学定轨法  53-54
  3.3 三种精密单点定位模型  54-57
    3.3.1 传统模型  55-56
    3.3.2 UofC模型  56
    3.3.3 无模糊度模型  56-57
  3.4 对三种模型的理论分析  57-59
  3.5 三种模型在星载GPS卫星定轨中的应用分析  59-64
  3.6 本章小结  64-66
第四章抗差估计理论及其在星载GPS卫星非差运动学定轨中的应用  66-86
  4.1 引言  66
  4.2 抗差估计基本概念  66-68
  4.3 抗差最小二乘估计  68-77
    4.3.1 M估计及其影响函数  68-69
    4.3.2 等价权原理  69-71
    4.3.3 等价权函数  71-73
    4.3.4 相关观测抗差估计  73-76
    4.3.5 最小二乘估计和抗差估计的影响函数  76-77
  4.4 抗差估计在星载GPS卫星运动学定轨中的应用  77-85
    4.4.1 基本原理  79-81
    4.4.2 应用分析  81-85
  4.5 本章小结  85-86
第五章运动学轨道的非线性动力学平滑研究  86-110
  5.1 引言  86-87
  5.2 推广卡尔曼滤波(EKF)  87-90
    5.2.1 EKF算法  87-88
    5.2.2 EKF的缺陷  88-90
  5.3 Unscented卡尔曼滤波(UKF)  90-99
    5.3.1 UT变换  91-93
    5.3.2 UKF算法  93-94
    5.3.3 UKF精度分析  94-99
  5.4 UKF在轨道平滑中的应用分析  99-103
  5.5 平方根UKF及其在轨道平滑中的应用分析  103-109
  5.6 本章小结  109-110
第六章非线性自适应抗差滤波定轨算法研究  110-120
  6.1 引言  110-111
  6.2 非线性自适应抗差滤波定轨算法(AR-SRUKF)  111-114
    6.2.1 观测噪声等价协方差阵  111-112
    6.2.2 状态噪声等价协方差阵  112-113
    6.2.3 非线性自适应抗差滤波定轨算法  113-114
  6.3 AR-SRUKF算法在星载GPS卫星定轨中的应用  114-118
  6.4 本章小结  118-120
第七章总结与展望  120-123
参考文献  123-132
攻读博士学位期间发表论文、获奖和科研工作情况  132-134
致谢  134

星载GPS卫星定轨中若干问题的研究

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