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1、導(dǎo)航衛(wèi)星自主定軌及星地聯(lián)合定軌的方法研究和模擬計算武漢大學(xué)博士學(xué)位論文答辯研究生：劉萬科指導(dǎo)教師：李征航教授2008年05月導(dǎo)航衛(wèi)星自主定軌及星地聯(lián)合定軌的方法研究和模擬計算第一章.緒論第二章.衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)理論第三章.衛(wèi)星動力學(xué)定軌理論第四章.導(dǎo)航衛(wèi)星自主定軌技術(shù)與方法第五章.自主定軌軟件實現(xiàn)與模擬結(jié)果第六章.結(jié)論與展望論文主要內(nèi)容第一章.緒論§1.1論文選題及意義§1.2導(dǎo)航衛(wèi)星自主定軌技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀§1.3本文的主要研究內(nèi)容導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行導(dǎo)航定位的前提。目前導(dǎo)航衛(wèi)星所播發(fā)的廣播星歷通常都是由地面控制系統(tǒng)(OCS)來提供的。戰(zhàn)時OCS往往是對方首先摧毀的目標(biāo)，存儲在衛(wèi)
2、星上的預(yù)報星歷的精度將隨著預(yù)報時間的增長而迅速下降。這就意味著一旦OCS被毀，整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將由于無法提供精確的衛(wèi)星星歷而很快陷于癱瘓?！?.1論文選題及意義我國在布設(shè)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的地面跟蹤網(wǎng)時，很難像美國那樣在全球均勻布設(shè)地面跟蹤站。自主定軌及星地聯(lián)合定軌的實現(xiàn)可大大提升北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在非常時期的生存能力和性能指標(biāo)，同時也可改變我國難以均勻布站的困境，因此，本文的選題具有非常重要的現(xiàn)實意義和軍事意義?！?.1論文選題及意義自主定軌的概念圖(JohnA.Rajan,2002)導(dǎo)航星座的自主定軌是指衛(wèi)星在長時間內(nèi)缺少地面控制系統(tǒng)支持的情況下，通過星間雙向觀測（測距、測速、方向觀測）、
3、數(shù)據(jù)交換以及星載處理器的處理，不斷修正地面站注入的長期預(yù)報星歷及時鐘參數(shù)，并自主生成導(dǎo)航電文和保持星座基本構(gòu)形，維持整個系統(tǒng)的正常運行和戰(zhàn)時生命力的實現(xiàn)過程。1.2.1、GPS自主定軌（導(dǎo)航）的概念§1.2導(dǎo)航衛(wèi)星自主定軌技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代，美國就開始了自主定軌的可行性研究，并于1990年6月，基本完成了導(dǎo)航衛(wèi)星自主定軌的理論、設(shè)計和數(shù)據(jù)模擬等工作。設(shè)計指標(biāo)為：在不顧及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)預(yù)報誤差的情況下，用戶測距誤差URE優(yōu)于6米(1σ)，達(dá)到與廣播星歷相當(dāng)?shù)木?。從目前的在軌?shù)據(jù)事后測試結(jié)果來看，GPS系統(tǒng)的自主定軌方法是可行的，可以獲得滿意的定軌結(jié)果！1.2.2GPS衛(wèi)星自主定
4、軌技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀目前，在國外只有少量公開發(fā)表的文獻介紹了自主定軌的發(fā)展概況。近年來，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)籌建工作的展開，國內(nèi)部分學(xué)者對導(dǎo)航衛(wèi)星星座的自主定軌做了一些探索性研究，取得了一些初步研究成果。國內(nèi)外的研究成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）.衛(wèi)星星座的整體旋轉(zhuǎn)問題1990年，M.P.Ananda等指出：基于星間測距的自主定軌中，星座作為一個剛體相對于地球的整體旋轉(zhuǎn)存在“不可觀測性”問題，即導(dǎo)航星座的整體旋轉(zhuǎn)問題。1.2.3近年來國內(nèi)外的研究成果如何限制或消除星座的整體旋轉(zhuǎn)問題，是自主定軌研究的一個關(guān)鍵問題。國內(nèi)外解決此問題的角度可分為兩個方面：自主定軌的參數(shù)估計、自主定軌的工
5、作模式。1.2.3近年來國內(nèi)外的研究成果（2）衛(wèi)星鐘差（相對鐘差和系統(tǒng)鐘差）通過星間雙向測距數(shù)據(jù)，可以精確保證各衛(wèi)星之間的時間同步導(dǎo)航星座的時間系統(tǒng)與地面的參考時間系統(tǒng)（如UTC）存在一個系統(tǒng)偏差。該系統(tǒng)偏差并不影響用戶的導(dǎo)航定位精度，但會導(dǎo)致用戶接收機鐘差解算結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)偏差對于消除衛(wèi)星鐘的系統(tǒng)偏差，除了增加導(dǎo)航衛(wèi)星與地面站的聯(lián)系外，目前的研究成果中沒有更好的解決辦法.1.2.3近年來國內(nèi)外的研究成果（3）自主定軌的最優(yōu)估計（濾波）方法BlockIIR衛(wèi)星的自主定軌系統(tǒng)是由兩個獨立的卡爾曼濾波器組成，其中一個用于估計衛(wèi)星軌道參數(shù)，另一個用于衛(wèi)星時鐘同步。關(guān)于這兩個濾波器的系統(tǒng)設(shè)計、過
6、程噪聲補償、克服濾波發(fā)散等一些核心算法至今沒有公開。我國學(xué)者雖然也設(shè)計了濾波器并進行自主定軌的模擬計算，但與工程應(yīng)用還有很大的差距。1.2.3近年來國內(nèi)外的研究成果本文的主要目的有兩個：研究如何通過導(dǎo)航衛(wèi)星間的測距觀測值實現(xiàn)自主定軌，使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)減少甚至擺脫對地面控制系統(tǒng)的依賴性而具有自主定軌能力；研究綜合利用地面監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)和星間測距數(shù)據(jù)進行星地聯(lián)合定軌（簡稱為星地聯(lián)合定軌）的技術(shù)與方法。本文的主要研究內(nèi)容圍繞上述兩個目的來展開，主要包括：軌道基礎(chǔ)理論、自主定軌方法、星地聯(lián)合定軌方法、軟件研制、模擬計算等。§1.3本文的主要研究內(nèi)容第二章.衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)理論§2.1時間系統(tǒng)和坐標(biāo)
7、系統(tǒng)§2.2開普勒軌道的定義§2.3攝動力模型§2.4受力分析第三章.衛(wèi)星動力學(xué)定軌理論與方法§3.1衛(wèi)星攝動運動方程、變分方程及其求解§3.2部分力模型的偏導(dǎo)數(shù)計算§3.3三種積分器：RK法、Adams法和Cowell法§3.4衛(wèi)星動力學(xué)定軌原理衛(wèi)星軌道動力信息（地球引力日月引力、光壓、潮汐引力等）觀測方程的線性化狀態(tài)方程的線性化、變分方程的積分求解采用最小二乘或濾波等方法實現(xiàn)對初值向量的改正采用積分方法，獲得任意時刻的軌道信息，并輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)
