北斗卫星导航系统精密轨道确定方法研究

(6)对比了几种主要的leo星载gnss精密定轨方法:几何法、动力平滑法、动力法、约化动力法,实测算例分析表明:约化动力法在几类方法中具有明显优势,该方法通过引入经验力参数,能够弥补力学模型不足的缺陷,即使在不考虑大气阻力的条件下,其定轨精度也能够达到cm量级。(7)提出了一种针对伪随机脉冲的参数快速估计方法,该方法利用伪随机脉冲特性,借助参数预消除与回代的思想,有效地规避了大维数法矩阵的求逆运算,有助于提高leo辅助北斗卫星精密定轨的算法效率,实测算例分析表明:文中方法的参数估计结果与常规最小二乘方法相同,但在计算效率上具有明显优势。
(5)推导了参数预消除与回代及参数转换的原理公式,给出了法方程叠加的基本原理,按照轨道分网合成和轨道多时段合成,系统研究了北斗卫星精密定轨后处理方法。详细论述了轨道分网合成方法及其实现流程,基于参数转换原理,对其中的主要处理技术进行了推导证明,算例分析表明:文中给出的轨道分网合成方法对改善子网的网形结构、提高子网解轨道精度和加快计算效率作用明显;深入研究了轨道多时段合成方法,给出了密切元素与力学参数的处理方法,重点推导了伪随机脉冲参数的合成原理,算例分析表明:单天边界附加伪随机脉冲对北斗卫星多时段合成轨道的精度有明显改进作用,利用文中方法进行北斗卫星多天轨道合成,一定范围内,随着定轨弧段的增长,北斗卫星定轨精度能够得到不同程度的改善。
然而,作为后起建设的卫星导航系统,北斗卫星精密定轨方法的研究尚处于起步阶段,相比GPS等成熟系统,理论方法还不完善,定轨精度也还有较大的提升空间。在此背景条件下,借鉴已有系统的成熟经验,结合北斗系统自身特点,以导航卫星精密定轨方法的最新发展方向为牵引,积极推动北斗卫星精密轨道确定方法的发展Hale Waihona Puke Baidu完善,进一步提高北斗卫星精密定轨精度水平,对系统的建设发展尤显重要。
经leo辅助之后,三类北斗卫星精密定轨精度基本达到同一量级水平。(9)提出了一种基于抗差自适应滤波的geo卫星实时轨道确定方法。
该方法在非机动期间利用动力学信息,以“3?原则”剔粗差,而在机动期间,采用了中位数抗差估计方法来抵御粗差,在保证处理效率的基础上,有效地抵御了观测粗差对geo卫星实时定轨的影响;同时,利用本文构造的时隙自适应因子,以自适应滤波的方法,实现了GEO卫星机动与非机动期间实时定轨的无缝衔接。一定的测站布局及观测精度条件下,利用本文方法,在非机动期间,定轨精度可达分米量级;即使在机动期间,其定轨结果也不会发散,精度优于5m。
(8)提出并实现了leo辅助北斗卫星精密定轨的方法,利用加权最小二乘参数估计,证明了该方法中固定leo轨道与同时估计leo轨道在原理上的一致性,并指出数据处理中应当设置适当的leo卫星轨道先验约束,算例分析表明:无论区域布站还是全球稀疏布站,附加leo星载gnss观测量之后,导航卫星的定轨精度都能得到显著改善。对北斗系统而言,在leo辅助之下,geo卫星定轨精度有了明显改善,特别是切向定轨精度基本达到与meo和igso卫星相当的水平;meo卫星径向、切向、法向定轨精度均有改善,其中也以切向精度改善最为明显;igso卫星定轨精度略有改进。
为此,论文紧紧围绕北斗卫星导航系统精密轨道确定这一核心问题展开研究,首先总结对比了各卫星导航系统及其精密定轨方法的发展现状,并介绍了北斗卫星精密定轨的理论基础,在此基础上,从单系统精密定轨、多系统融合精密定轨、精密定轨后处理、LEO辅助北斗卫星精密定轨以及实时轨道确定等方面对北斗卫星精密定轨方法进行了系统研究,主要工作及创新点总结如下:(1)针对北斗GEO卫星切向轨道分量与双差模糊度强相关的问题,对经典双差动力法进行改进,提出了联合使用双差相位及相位平滑伪距实现北斗卫星单系统精密轨道确定的方法,结合实测算例,在验证改进方法优越性的基础上,对比分析了北斗卫星非差动力法与双差动力法的精密定轨效果,结果表明:较之非差动力法,双差动力法对GEO卫星精密定轨精度具有一定的改善作用,两者在IGSO卫星精密定轨上效果基本相当,但在MEO卫星定轨上,非差法结果更优,这一结果是由双差动力法和非差动力法的不同解算模式、三类卫星的不同运动特点以及区域测站布局共同决定的。(2)对联合使用载波相位和伪距时,北斗卫星双差模糊度解算的影响因素进行了理论分析,推导并给出了利用QIF方法实现北斗卫星双差模糊度固定的基本原理,实测算例分析表明:利用QIF方法能够取得一定的模糊度固定效果,但受观测条件限制,模糊度固定成功率整体不高,模糊度固定之后对北斗卫星轨道的改进作用有限,特别是由两颗GEO卫星形成的双差模糊度的固定方法尚需进一步分析研究。
(3)给出了目前较为常用的北斗卫星多系统融合非差精密定轨方法及其数据处理流程,结合实测算例,将其与单系统非差精密定轨方法进行了对比分析,结果表明:在目前北斗卫星的观测几何条件下,两种方法定轨精度基本相当,但在地面缺少稳定的原子钟作为参考钟的条件下,多系统融合方法由于能够引入较为稳定的GPS时间作为解算基准,其钟差确定效果更优。(4)对常用的多系统融合定轨方法进行改进,提出了一种基于模糊度固定的北斗卫星多系统融合非差精密定轨方法,实测算例分析表明:利用改进之后的方法,北斗卫星三维定轨精度平均提高了21.8%,三类卫星切向轨道精度改善程度最大,其中,又以geo卫星改善最为明显。
北斗卫星导航系统精密轨道确定方法研究
北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统。2012年12月27日,系统正式提供亚太区域服务以来,已经开始在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报等领域发挥重要作用。
导航卫星的轨道精度是衡量系统服务能力的重要性能指标,提供高精度的北斗卫星精密轨道,对提高系统竞争力、促进系统推广应用具有重要的现实意义。此外,我国正在积极筹建全球连续监测评估系统,北斗卫星精密轨道是其核心产品。