发布时间 : 星期六 文章星载GPS卫星定轨分析(1)更新完毕开始阅读1732b0a40029bd64783e2ce3
已大大提高，但在实际观测中，由于星载GPS接收机钟的不稳定、电离层闪烁或GPS卫星失锁等各种因素的影响，在观测数据中，往往存在着一定数量的粗差和周跳。研究表明，未被探测的粗差、周跳将主要被整周模糊度参数所吸收，从而导致了对低轨卫星位置的有偏估计。因此，需要研究比较有效的方法来探测和修复星载GPS观测值中的粗差和周跳。只有消除了粗差和周跳的“干净”数据，才能用于精密定轨。 1.1.3卡尔曼滤波的发散及观测值被污染的问题
卡尔曼滤波是一个不断预测、修正的递推过程，由于在求解时不需要储存大量的观测数据，而被广泛应用于实时、动态数据处理中。但当将卡尔曼滤波应用到星载GPS定轨中时，由于不能准确确定动态噪声和观测噪声，往往会造成滤波发散。另外，当观测值受到污染时，卡尔曼滤波估值也将被污染，通常的做法是用抗差方法，将被疑有粗差的观测值剔除或降权处理。但如果权值给得不合理，往往导致粗差的处理失败，从而造成低轨卫星轨道估计误差。
总之，各种用途低轨卫星的迅猛发展呼唤高精度的卫星轨道，低轨卫星轨道精度的提高亦依赖于定轨技术、方法的不断完善，而要想真正完善低轨卫星的定轨方法，特别是完善星载GPS定轨方法，就必须妥善解决以上提到的各个问题，寻求解决这些问题的新的理论与方法。本论文就是基于以上出发点而提出的。
1.2 国内外的研究现状
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低轨卫星的应用与科学试验，对轨道精度提出很高的要求，例如：TOPEX卫星的定轨精度要求径向达到5cm(Melbourne and Davis，1994；胡明城，2002)；现在己经发射的CHAMP和GRACE卫星及以后将要发射的GOCE卫星的径向定轨精度要求在厘米级(沈云中，2000)。我国的重点航天工程项目宇宙飞船—神州系列离地面高度还不到400mk，而航天器的径向定轨精度也要求达到较高精度。同时，由于低轨卫星的轨道较低，受到地球重力场的扰动以及大气阻力等摄动力影响较大，故对低轨卫星的观测数据、定轨方法提出了更高要求。近年来，有许多卫星定轨方法相继提出。
星载GPS低轨卫星定轨有多种方法，用户可以根据不同的需要采用不同的定轨方法。根据是否考虑低轨卫星所受的摄动力影响及与摄动力模型的关系，星载GPS低轨卫星定轨方法可分为纯几何法、动力学法和综合动力学法三种。 1.2.1纯几何法
纯几何法是指不依赖于任何力学模型，完全由星载GPS跟踪数据和地面跟踪网获得的跟踪数据对低轨卫星定轨的方法。几何法得到的轨道是一组离散的点位，连续的轨道必须通过拟合方法给出。几何法定轨的最大特点是不受低轨卫星动力学模型误差的影响，特别对低轨卫星来说不受大气阻力模型误差的影响，因为定轨结果较稳定，并不像动力学定轨的结果那样随低轨卫星的高度降低而急剧下降。影响几何法定轨精度
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的主要因素是观测值的精度、观测的卫星几何图形结构和GPS卫星信号的连续性、稳定性。由于几何法不涉及运动的动力学性质，所以它不能确保轨道外推的精度。 1.2.2动力学法
动力法即是传统意义上的定轨方法，利用星载GPS的位置观测、伪距观测和相位观测以及对应的观测模型，给出一种有别于其它观测手段所提供的测量方程，来进行精密定轨。动力定轨法采用扩展弧段的观测数据来估计某一历元的卫星位置和速度，通过对卫星运动方程进行积分，使不用时间的观测值联系于某一历元的卫星状态参数。这要求作用于卫星的力学模型必须十分精确，否则任何力学模型误差都将带入历元状态参数估值中。一般来说，观测量离解算历元越远，则力学模型的误差影响越大，于是积分弧段越长，则力学模型误差的影响越大(Yunck,1990)。 1.2.3综合动力学法
为了解决动力学定轨中动力学模型误差及几何法存在的问题，Yunck等科学家提出了将动力学法与几何法联合起来的综合动力学定轨方法。该方法充分吸收了几何定轨法和动力学法的优点，用卡尔曼滤波形式，把分批滤波后得到的动力学轨道作为参考轨道，又在后续的序贯滤波/平滑过程中附加了过程噪声参数来吸收动力学模型和GPS观测值提供的几何信息之间的最优选权，使得纯动力学模型的影响被消弱了，所以这种方法又称归化动力法。综合法定轨的困难在于如何选择适当的
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过程噪声。
用几何法、动力法及综合动力法定轨的结果比较示意图见图1.1（刘红新，2006）。
图1.1 不同方法定轨结果比较示意图
1.3 本文研究的主要内容
本文先介绍GPS卫星定轨的基本理论，然后分析星载GPS卫星定轨的三种主要方法，最后根据不同方法的理论基础、数学模型，对各种定轨方法进行精度、算法上的比较，得出不同方法的优缺点及适用范围。论文主要内容如下：
第一章绪论。本章首先回顾星载GPS卫星定轨的发展现状，并探讨了星载GPS定轨的主要方法，分析了目前星载GPS定轨中存在的问题，在此基础上确定了本文的研究目的和意义及研究的内容。
第二章主要介绍时间系统和坐标系统的一些基本概念。由于卫星定
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