基于星载GPS的低轨卫星几何法定轨理论研究

借助低轨卫星上搭载的仪器而展开的科学研究及各种应用技术的迅猛发展，对低轨卫星定轨精度提出了越来越高的要求。考虑到星载GPS低轨卫星几何法定轨在我国发展还相对缓慢，特别是基于载波相位的相对定轨的发展相对滞后的特点，本文系统研究了星载GPS低轨卫星轨道确定中的理论、方法，对以下一些关键问题作了有益的探索： (一)提出了一种GPS数据预处理方案 现有GPS数据预处理方法大都以最小二乘残差为研究对象，往往会造成粗差及周跳定位不准的问题。本文将粗差的拟准检定法-QUAD法拓展到相关观测的情况，用来检测和修复GPS观测值中的粗差和周跳。该方法的关键是正确选择拟准观测。在初选时，将观测分类，选取符合一定条件的‘较好’的观测(在一定条件允许的范围内)作为拟准观测；复选时依据真误差估值的分群特征，提高了可靠性。算例结果表明，这种方法思路简单、直观，便于实施，在系统误差得到较好处理后，该方法对粗差和周跳的定位准确，并能给出较准确的估值。这对观测数据较少的星载GPS低轨卫星定轨中数据质量控制意义重大。 (二)提出了一种综合卡尔曼滤波方法 本文针对将卡尔曼滤波应用到星载GPS定轨中时存在的问题，提出了一种综合卡尔曼滤波方法。该法用拟准检定法准确地探测和修正量测方程中存在的粗差；用UD分解算法改进了计算精度，克服了由于数值不稳定带来滤波的不稳定性；当判断滤波器发散后，则启用Sage自适应滤波器，调整预测误差方差，以克服滤波器的发散。算例结果表明，这种综合卡尔曼滤波方法具有数值稳定性好、有较强的自适应性和能比较好地削弱粗差影响等优点。 (三)系统地研究了GPS数据模拟问题，并编制了相应的GPS数据模拟软件 各种定轨方案的论证与比较需要星载GPS模拟数据。星载GPS模拟资料虽不是真实的轨道资料，但在研究某些问题时具有很强的针对性。本文系统研究了GPS观测值模拟的原理、流程，并尽量利用已有的成果和最新研究成果，精心挑选模拟所用数学模型，以尽量使观测模拟值和实际情况相符。算例结果表明：GPS模拟观测值在星载GPS定轨中方案比较、可行性论证中有重作用。 (四)探讨了星载GPS相位相对定轨中的病态性问题，并尝试给出了较有效的解决方案 地面基准站、低轨卫星和GPS卫星之间的几何形状分布不佳，差分技术的应用使得模糊度之间及模糊度和三维坐标向量改正之间产生较强的相关性，往往都会导致星载GPS定轨中的法矩阵的病态性。本文分析了星载GPS相对定轨中法矩阵构成的特点；探讨了用L曲线法来选择岭参数的岭估计方法，根据星载GPS相对定轨中法矩阵的最后3个特征值比较小的特点，选择截断最后3个特征值的截断奇异值方法，在一定程度上可改善法矩阵的病态性。最后根据欧吉坤研究员等人提出的选权拟合解病态方程新思想，基于TIKHONOV正则化方法，通过选择合适的正则化矩阵R，来显著改善法矩阵的病态性，得到了比较稳定、可靠的定轨结果。 (五)详细分析了星载GPS绝对定轨及相对定轨的原理、方法及合理定轨方案的选择问题 本文较详细地讨论了基于双频相位平滑伪距的消电离层组合，进行星载GPS绝对定轨的原理、算法及其精度评定问题；讨论了利用相位平滑后的双频伪距消电离层组合及双频载波相位消电离层组合，进行星载GPS低轨卫星相对定轨的原理、算法及其精度评定。探讨了几种可能用于星载GPS相对定轨中的随机模型精化方案，最终选择了一种同卫星高度角有关的精化模型，同简化的随机模型方案相比，这种精化随机模型可以显著地提高定轨精度。详细研究了基于载波相位的相对定轨中整周模糊度解算方案，提出先用Bootstrapping方法求基于里载GPS的低孰卫里几何法定轨理论研究解双频伪距和相位的Mw组合的宽巷模糊度，然后代入相位消电离层组合，再求解窄巷模糊度的方法，尽量将模糊度固定为整数值。(六)本文以CHI砚P低轨卫星实测双频观测数据为例，用作者根据Bernese软件改编的定轨软件对以上方法进行了验证，研究结果表明:(1)基于相位平滑伪距的消电离层组合的绝对定轨精度在m级，少数历元超过10m;钟 差估计精度在ns级，少数历元超过IOns;(2)基于相位平滑伪距消电离层组合的相对定轨精度在亚m级，少数历元超过1m;(3)在基于载波相位消电离层组合的星载GPS相对定轨中采取了一些关键措施，例如， 同卫星高度角相关的随机模型、选权拟合改善法矩阵病态性新方法及合理模糊度解 算方案的采用，大大提高了定轨的精度，同GFZ给出的结果相比，三维坐标分量差 值，大部分历元在cm级，部分历元在dm级。