了得網自然科學_異構星座精密軌道確定與自主定軌的理論和方法

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《異構星座精密軌道確定與自主定軌的理論和方法》可作為高等院校相關專業研究生和相關領域技術人員參考書。

內容簡介

衛星精密定軌是導航與對地觀測領域，尤其是衛星導航繫統重要的核心關鍵技術之一，衛星軌道的測定精度直接決定了導航定位的性能。北鬥導航衛星星座首次采取了異構的GEO+IGSO+MEO混合星座方案，由於星座設計的獨特性，必要的理論研究和工程實踐相對缺乏，對這種異構的三種軌道混合的星座用於衛星導航技術還存在大量的理論、方法，以及工程應用問題等有待進一步研究。

《異構星座精密軌道確定與自主定軌的理論和方法》繫統地介紹了高精度導航星座和測地衛星精密定軌、高精度軌道預報、自主定軌的基本理論與新方法，特別分析與給出了區域混合星座及局部布設跟蹤站情況下，高精度測定軌的主要技術問題和精密與快速定軌方法，並且針對未來技術發展預測，繫統地給出了基於傳統與人工智能的混合軌道預報方法、基於*定向和地月限制性三體引力強不對稱性下的自主定軌理論和方法。《異構星座精密軌道確定與自主定軌的理論和方法》內容豐富、理論體繫嚴謹，並且結合北鬥混合星座實際在軌衛星觀測數據和仿真數據進行了大量的計算驗證，同時配以大量的實際應用方案，對重點、難點加以深入分析和解決方法論述。

《地球觀測語導航技術叢書》出版說明
前言
第1章緒論
1.1全球導航衛星精密定軌現狀
1.2區域衛星導航繫統精密軌道測定
1.3本書的結構安排
第2章衛星運動方程及受力分析
2.1人造地球衛星的運動方程
2.2衛星受力分析
2.3軌道數值積分方法
第3章統計定軌方法
3.1統計定軌的基本原理
3.2批處理
3.3序貫處理《地球觀測語導航技術叢書》出版說明

前言

第1章緒論

1.1全球導航衛星精密定軌現狀

1.2區域衛星導航繫統精密軌道測定

1.3本書的結構安排

第2章衛星運動方程及受力分析

2.1人造地球衛星的運動方程

2.2衛星受力分析

2.3軌道數值積分方法

第3章統計定軌方法

3.1統計定軌的基本原理

3.2批處理

3.3序貫處理

3.4改進的推廣序貫算法

3.5卡爾曼濾波算法

3.6改進的擴展卡爾曼濾波

3.7補償小二乘法

3.8結論

第4章力模型誤差的統計分析

4.1引言

4.2長短弧定軌結果的比較

4.3Vondark平滑與濾波

4.4隨機序列的譜分析

4.5長弧定軌誤差演變的統計分析

第5章力學模型誤差補償的軌道改進

5.1力模型誤差分析

5.2長弧定軌批處理補償算法

5.3卡爾曼濾波模型誤差補償

5.4結論

第6章導航星座精密軌道確定

6.1測量模型

6.2多星定軌基本方法

6.3精度分析

6.4觀測弧長對定軌精度的影響分析

6.5光壓模型性能分析

6.6混合星座約化動力學定軌

6.7動力學約束快速定軌

6.8結論

第7章單星快速精密軌道確定

7.1短弧定軌面臨的主要問題

7.2削弱繫統差的策略與方法

7.3時間同步支持下精密定軌及應用

7.4基於多星組網觀測的單星定軌方法及應用

7.5結論

第8章基於神經網絡模型的高精度軌道預報

8.1神經網絡相關理論

8.2基於神經網絡的改進

8.3長期精密軌道預報指標法

8.4預報軌道特征分析

8.5中圓軌道衛星軌道預報

8.6高軌GEO/IGSO衛星軌道預報

第9章基於軌道預報特性的神經網絡模型優化及控制

9.1神經網絡模型改進性能評估

9.2預報軌道與預報誤差對應關繫的深入分析

9.3不同因素對神經網絡模型補償精度的影響探討

9.4神經網絡模型的優化設計

9.5基於反向重疊弧段比較法的軌道預報誤差控制方法

9.6兩種模型下的URE精度分析

9.7結論

第10章基於星間鏈路及方向約束的星座自主定軌

10.1概述

10.2星間測距

10.3定向觀測

10.4星間測距及定向觀測自主定軌數學模型

10.5自主軌道確定仿真與分析

10.6基於星間測向輔助的自主定軌技術

10.7星間無線電/定向測量的星座長期自主定軌

10.8結論

第11章基於拉格朗日導航星座的自主軌道確定

11.1概述

11.2圓型限制性三體問題

11.3拉格朗日軌道航天器星間測距自主定軌的可行性

11.4拉格朗日點軌道自主定軌基本原理

11.5拉格朗日衛星導航繫統星間測距自主定軌

11.6拉格朗日導航星與近地導航衛星聯合自主定軌

11.7橢圓型限制性三體問題模型下平動點擬周期軌道自主定軌

11.8結論

參考文獻

索引

在線試讀

第1章緒論
衛星導航繫統以其全天候、高精度的獨特優勢為整個地球空間提供導航定位和授時服務，是極其重要的空間信息基礎設施。世界各大國都在大力發展自己的衛星導航繫統，中國北鬥衛星導航繫統北鬥衛星導航繫統（BD）與全球定位繫統（GPS）、全球衛星導航繫統（GLONASS）、伽利略（GALILEO）等國外其他繫統一並成為國際上發展為迅速的導航繫統。北鬥衛星導航繫統作為國家的重大基礎設施，是國家產業轉型的重要推動力。導航衛星精確定軌是衛星導航繫統的核心業務，利用衛星導航繫統實現載體導航的基礎條件是導航衛星的空間位置已知，因此導航衛星精確定軌是衛星導航繫統運行服務的前提，其性能直接影響用戶導航定位的精度。
北鬥導航衛星星座首次采取了異構的GEO+IGSO+MEO混合星座混合星座方案，這種技術方案有利於實現先區域、後全球服務的發展思路。星座設計的獨特性帶來了一些新問題，如必要的理論研究和工程實踐相對缺乏，相應高精度定軌的精確的力學模型還未建立，且星座軌道機動軌道機動多、平臺控制模式建模困難等。因此，要實現這種異構導航星座導航星座的應用，還需要在理論、方法和工程應用等方面做進一步研究，包括：
（1）區域監測網如何實現全星座精密軌道的確定；
（2）靜止GEO衛星GEO衛星和單顆衛星快速軌道的確定及其預報方法；
（3）觀測手段的改進、測量模型和力學模型精度的提高；
（4）空天環境因素與導航衛星及其星座相互感應、感知的規律和機理；
（5）星座自主運行自主運行等相關基礎理論模型與方法。
作者根據10多年從事衛星精密定軌精密定軌的研究成果撰寫此書，主要內容：國內外導航衛星精密定軌現狀、中國導航繫統中精密定軌面臨的一些問題、多星精密定軌、GEO衛星精密軌道確定、快速精密定軌、自主定軌自主定軌及長期精密軌道預報軌道預報。
1.1全球導航衛星精密定軌現狀
1.GPS衛星導航繫統
GPS是國際上發展為成熟的衛星導航繫統。截至2014年12月，GPS在軌星座共有31顆，其中工作衛星30顆，正常運行的BlockIIA有10顆，BlockIIR有12顆；BlockIIR M有7顆，BlockIIF有1顆。第1章緒論

衛星導航繫統以其全天候、高精度的獨特優勢為整個地球空間提供導航定位和授時服務，是極其重要的空間信息基礎設施。世界各大國都在大力發展自己的衛星導航繫統，中國北鬥衛星導航繫統北鬥衛星導航繫統（BD）與全球定位繫統（GPS）、全球衛星導航繫統（GLONASS）、伽利略（GALILEO）等國外其他繫統一並成為國際上發展為迅速的導航繫統。北鬥衛星導航繫統作為國家的重大基礎設施，是國家產業轉型的重要推動力。導航衛星精確定軌是衛星導航繫統的核心業務，利用衛星導航繫統實現載體導航的基礎條件是導航衛星的空間位置已知，因此導航衛星精確定軌是衛星導航繫統運行服務的前提，其性能直接影響用戶導航定位的精度。

北鬥導航衛星星座首次采取了異構的GEO+IGSO+MEO混合星座混合星座方案，這種技術方案有利於實現先區域、後全球服務的發展思路。星座設計的獨特性帶來了一些新問題，如必要的理論研究和工程實踐相對缺乏，相應高精度定軌的精確的力學模型還未建立，且星座軌道機動軌道機動多、平臺控制模式建模困難等。因此，要實現這種異構導航星座導航星座的應用，還需要在理論、方法和工程應用等方面做進一步研究，包括：

（1）區域監測網如何實現全星座精密軌道的確定；

（2）靜止GEO衛星GEO衛星和單顆衛星快速軌道的確定及其預報方法；

（3）觀測手段的改進、測量模型和力學模型精度的提高；

（4）空天環境因素與導航衛星及其星座相互感應、感知的規律和機理；

（5）星座自主運行自主運行等相關基礎理論模型與方法。

作者根據10多年從事衛星精密定軌精密定軌的研究成果撰寫此書，主要內容：國內外導航衛星精密定軌現狀、中國導航繫統中精密定軌面臨的一些問題、多星精密定軌、GEO衛星精密軌道確定、快速精密定軌、自主定軌自主定軌及長期精密軌道預報軌道預報。

1.1全球導航衛星精密定軌現狀

1.GPS衛星導航繫統

GPS是國際上發展為成熟的衛星導航繫統。截至2014年12月，GPS在軌星座共有31顆，其中工作衛星30顆，正常運行的BlockIIA有10顆，BlockIIR有12顆；BlockIIR M有7顆，BlockIIF有1顆。

GPS采用全球布設監測站監測站，實現衛星軌道與鐘差鐘差的一體化解算。采用用戶偽距誤差用戶偽距誤差（userrangingerror，URE）作為指標來衡量GPS衛星軌道誤差和鐘差誤差對用戶定位的綜合影響。GPS衛星的星歷和鐘差參數每天由地面監控繫統進行更新，一般每天上傳一次，如果URE超限，則增加上傳次數。其繫統設計的URE指標為6.0m，但1994年繫統實際的指標已經達到3.0m，優於設計要求。隨著各種模型和技術的不斷改進，實際的URE值不斷降低。

2004年，增加美國國家大地測量局的6個跟蹤站作為繫統運控的地面監測站後，URE更是降到1.1m以下。並且地面跟蹤站的增加可以實現對GPS衛星100%弧段可見，增強了GPS繫統完備性和監測能力。2006年又增加了國家大地測量局的其餘5個站作為GPS繫統運控地面監測站。目前，GPS星歷精度優於5m。

隨著GPS現代化的不斷推進，部分GPS衛星開始安裝了激光反射鏡，可以通過SLR（satellitelaserranging）技術測定衛星軌道，但通常是作為一種高精度的軌道檢核與驗證手段，而並未作為導航繫統實時在線的測軌手段。GPSBLOCKIIR型衛星采用新型的銣原子鐘原子鐘，其頻率穩定性能提高一個量級。

增加了自主定軌功能後，GPS的BLOCKIIR、BLOCKIIF衛星生存能力明顯加強。目前GPS共有三種運行模式：一是在有地面站支持的條件下，定軌全部在地面完成，廣播星歷廣播星歷每天由注入站注入一次，廣播星歷再由衛星轉發給用戶；二是在有地面站支持的條件下，由地面站計算廣播星歷，預報210天，廣播星歷每月由注入站注入一次，衛星通過星間測距星間測距和通信，對地面預報的軌道和衛星鐘差進行改進，並將改進的廣播星歷發給用戶；三是地面站負責在地面將軌道預報210天，並每月上傳給導航衛星一次，這樣，即使失去地面站支持，每顆導航衛星上仍至少有180天的預報星歷，以這些預報星歷為先驗信息，結合星間雙向測距獲得的衛星間鐘差和距離信息，采用適當的星上軌道算法，在衛星上完成軌道確定任務，並將改進的廣播星歷發給用戶。

在沒有地面站支持的條件下，要維持繫統精度，BLOCKIIR衛星新增了三項功能：一是每顆衛星都增加了星上計算能力；二是增加了UHF波段的星間通信能力；三是增加了UHF波段的星間測距能力。星上信息處理大致可以分成三步：一是對所有可視GPS衛星進行偽距測量；二是對可視衛星接收和發播數據信息；三是處理測量值，得到新的廣播星歷估計值。

2.GLONASS衛星導航繫統

GLONASS地面跟蹤控制網包括繫統控制中心和布設在俄羅斯整個國土上的跟蹤控制站網，其中地面控制中心位於莫斯科的戈利岑諾，地面控制中心同時維持GLONASS的時間基準，遙測和跟蹤站位於聖彼得堡、Ternopol、Eniseisk和共青城。地面跟蹤控制網負責采集、處理GLONASS衛星的軌道和信號信息，並向每顆衛星發射控制指令和導航信息。

雖然GLONASS的地面跟蹤站沒有全球布設，但俄羅斯國土面積東西跨度很大，跟蹤站的分布也相當廣，而且衛星上裝有SLR反射器，可以利用高精度的SLR對其進行跟蹤。因此，GLONASS導航衛星可以實現較高精度的軌道和鐘差確定，GLONASS廣播星歷精度為10～25m。GLONASS地面控制繫統通過數據綜合解算和相位控制相位控制兩種方法保證星上時間和繫統時間之間的同步。

數據綜合解算是指在衛星精密軌道已知的前提下，利用監測站的站星距離觀測資料，計算出星上時間相對於繫統時間之差。然後將其上行注入給衛星，通過衛星導航電文導航電文轉發給用戶，用戶在導航定位過程中進行衛星鐘差的修正。衛星鐘差改正數的計算采用星上時間相對於繫統時間偏差的線性擬合算法，使用每一圈30～60min時間段內的觀測資料，每天兩次向衛星上行注入。

相位控制方法是在GLONASS導航電文格式中，用10bit表示每顆衛星星上時間相對於GLONASS時間的改正數，其容量為1.9ms。當星上時間偏差大於1ms時，數據綜合解算方法將由相位控制方法來補充，以保證星上時間與中央同步器時間之差不超過1ms。也就是講，相位控制方法就是由地面控制繫統通過星上相位微調器（其精度在10-17量級）對衛星鐘進行微調校準。在地面繫統進行衛星鐘校準期間，通過導航電文發送“禁止使用該星進行導航”的標志。

3.GALILEO衛星導航繫統

與GPS和GLONASS相比，歐洲GALILEO衛星導航繫統還處於繫統建設階段，因此，其各項指標還存在不確定性。據相關資料介紹，GALILEO繫統GALILEO繫統的精密定軌與時間同步時間同步和GPS一樣，計劃采用單程測距，由分布在全球的12個軌道測定和時間同步站接收衛星發射給用戶的雙頻偽碼測距信號和記錄多普勒信號，每站配置銫原子鐘，並與繫統的主鐘進行精確同步。衛星鐘與地面鐘之間的偏差通過測量的偽距值和由精密定軌得到的站星距求差得到。地面控制中心接收來自監測站的觀測數據和通過共視法獲得的UTC（K）/TA（K）數據，經過預處理、定軌與時間同步處理模塊處理、濾波產生鐘差改正數和平均頻率，鐘差改正數通過上行注入站上傳至衛星，平均頻率作用於GALILEO繫統主鐘產生繫統時間基準。GALILEO繫統每30min對星載鐘更新一次校準數據，以滿足時鐘與軌道誤差的綜合誤差不超過0.65m。GALILEO繫統校準時間間隔較小的主要目的是要減小衛星鐘周跳的影響。

2005年12月歐空局發射了顆試驗衛星GIOVE-A，並於2008年4月發射了第二顆在軌驗證試驗衛星GIOVE-B，軌道確定與時間同步（ODTS）試驗結果表明：所有測量類型的殘差都比較理想，且GIOVE-A和GPS的平滑偽距及相位殘差水平一致。衛星激光測距的殘差為幾個釐米，解算的GPS軌道與IGS精密軌道之差為分米級。GIOVE-A重疊弧段軌道徑向差異均方根（RMS）小於10cm，沿跡方向差異RMS為50cm量級，鐘差差異RMS為0.15ns。

4.IGS精密軌道

國際GNSSGNSS服務組織下設的各分析中心，利用全球布設的IGS跟蹤網提供的豐富且地理分布均勻的跟蹤數據，采用高精度GNSS數據處理軟件計算GPS衛星的精密軌道和鐘差，後由分析中心協調機構綜合各分析中心的結果，形成IGS對外發布的軌道和鐘差產品，以服務於全球科研、教育和其他行業。

從1994年（IGS正式成立）至今，隨著跟蹤站數量的不斷增加，以及各種軌道力學模型和測量模型的持續改進，IGS提供的GPS事後終軌道精度從0.3m提高到3～5cm，事後終鐘差產品的精度小於0.1ns。此外，IGS還提供快速和超快速軌道和鐘差產品。但是，IGS提供的全部是事後處理的精密軌道和精密鐘差，與導航繫統在線實時運行並預報提供給用戶的導航電文存在很大差別。表1.1.1給出了各導航繫統軌道確定精度統計。

1.2區域衛星導航繫統精密軌道測定

一般而言，區域衛星導航星座通常會采用GEO和IGSO類型的軌道衛星，可以少數量的衛星實現對需要地區的覆蓋。這類軌道衛星對地相對運動小，軌道解算的可測性差，反映在定軌解算的方程上表現為定軌幾何差，因此使得高精度定軌變得比常用的中圓軌道衛星困難很多。特別是GEO衛星，由於它相對地面站的觀測幾乎靜止不動，觀測方程不隨時間變化，因而在定軌解算過程中軌道參數和其他誤差參數交聯，難於分離求解。比如，衛星軌道的徑向誤差和衛星及接收機鐘差為強相關，甚至線性相關，而全球運動衛星這兩類的誤差是可分離的，載波相位載波相位測量的模糊度參數也是類似的情況。

區域衛星導航繫統還有一個問題是受國土跟蹤監測範圍限制。一般來講，區域繫統都是在全球的局部地區設立衛星跟蹤觀測站，由此帶來了衛星的觀測幾何觀測幾何差、跟蹤弧段短，不能做到全弧段的觀測，由此導致精密定軌性能提高難度很大。中國的北鬥衛星導航繫統選擇的星座就是由GEO、IGSO、MEO三種衛星構成的，其中GEO衛星、IGSO衛星IGSO衛星是導航應用的主用衛星；除此之外，由於GEO靜止和IGSO運動慢的特性，無線電傳輸與接收方面存在頑固的多徑效應多徑效應，表現為衛星信號處理中無法去除或有效減小多徑誤差，特別是GEO衛星的偽距觀測值存在嚴重的多徑誤差，其數據精度較MEO衛星MEO衛星的偽距觀測精度降低約1個數量級之多，由於觀測精度的降低也將極大影響軌道測定的精度。

另外，這兩類軌道衛星作為導航主用衛星還是首次，因此，對其軌道特性、力學模型的認知還在初級階段。力學模型精度不高，也成為精密軌道確定的一個問題。以GEO衛星為代表的高精度軌道預報問題，其預報精度衰減過快的主要原因是以光壓模型為主的力學模型不夠準確，其中目前單星定軌單星定軌主要采用簡單的球模型，而多星定軌多星定軌主要采用的是GPST20經驗模型。同時，不同類型的衛星，其衛星姿態與太陽面板均存在差異，因此需要根據衛星實際情況，建立相應的太陽光壓模型。使用長時間跟蹤策略，通過精密定軌及其誤差分析等方法實現對太陽輻射壓模型的精化也有待進一步深入研究。

此外，由於衛星導航繫統用戶接收處理用的衛星軌道是預報軌道，而軌道預報的精度取決於定軌精度和預報模型的精度，如前所述，對於區域異構的混合導航星座這兩個方面都面臨挑戰，即軌道確定誤差大、力學模型誤差模型誤差大，這些均將影響軌道預報精度，進而影響導航服務的性能。目前的軌道預報特別是高精度軌道預報方法大都基於力學模型。對於軌道高度在10000km以上的衛星而言，如美國GPS衛星與俄羅斯的GLONASS導航衛星的定軌精度要求是釐米量級，1天預報的要求精度優於米級。力學模型軌道預報誤差隨時間發散過於嚴重，因此無法獲得較高精度的長期預報星歷。僅就預報而言，改進軌道預報精度有兩種方法：一種方法是通過分析產生的物理原理，建立更加精準的動力學模型動力學模型；另一種方法可以從軌道預報誤差的規律中尋找突破，通過對歷史時刻預報誤差的學習及訓練，掌

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