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北京航空航天大学学报 2014年第9期40卷 1195-1199页

作者：秦显平任夏杨元喜西安测绘研究所地理信息工程国家重点实验室西安710054 中国人民解放军信息工程大学导航与空天目标工程学院郑州450052

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星的GPS(Global Positioning System)实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL(Jet Propulsion Laboratory)轨道对试验结果外部检核,结果表明:1自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;2自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;3两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线.

关键词：编队卫星自适应滤波实时相对定轨伪距广播星历

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星载GPS自适应实时相对定轨方法研究

星载GPS自适应实时相对定轨方法研究

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作者：任夏解放军信息工程大学

学位级别：硕士

本文以“自适应定轨技术”作为理论基础,以GRACE卫星作为研究对象,开展了星载GPS编队卫星自适应实时相对定轨方法研究,目的在于提高实时相对定轨的精度和稳定性。本文的主要工作和结论如下:1.介绍了几何法实时定轨的基础知识;分析了载... 详细信息

本文以“自适应定轨技术”作为理论基础,以GRACE卫星作为研究对象,开展了星载GPS编队卫星自适应实时相对定轨方法研究,目的在于提高实时相对定轨的精度和稳定性。本文的主要工作和结论如下:1.介绍了几何法实时定轨的基础知识;分析了载波相位平滑伪距方法和基于DRVID模型的无电离层影响定轨方法的原理及特点;实现了基于伪距和载波相位的紧密滤波方法。实验结果表明,与载波相位平滑伪距方法相比,基于伪距和载波相位的紧密滤波方法精度更优。总体来说,载波相位的引入将单点定位精度提升至4m以内。2.针对伪距观测值易受噪声影响的特点,分析了抗差估计在单点定位中的作用,介绍了基于DOP值和卡方统计量的单点定位质量检验方法。结合半仿真数据,得出以下结论:在抗差单点定位的基础上设置高度截止角,并根据DOP值检验和卡方检验剔除内符合精度较差的历元,可以提高单点定位的精度,定轨结果与JPL轨道间残差的最大值不超过50m(三维),RMS在4m左右(三维)。3.讨论了动力学模型对实时定轨的影响,实验结果表明:低轨卫星受地球重力场和大气阻力的影响较为明显;而通过增加状态噪声补偿的方式可以吸收动力学模型误差,通常在动力平滑中考虑20-30阶的重力场模型即可满足基本的计算需求。4.研究了基于伪距的星载GPS动力学实时定轨方法;分析了扩展Kalman滤波(EKF)、抗差M-M滤波和抗差自适应滤波算法的特点,及滤波参数对定轨结果的影响。计算结果表明:抗差M-M滤波和抗差自适应滤波均能有效解决EKF的发散问题,降低定轨结果对状态噪声补偿方案的依赖,定轨精度可以达到4m左右,与JPL轨道的最大偏差在X、Y方向不超过30m,Z方向不超过40m。与抗差M-M滤波相比,抗差自适应滤波方法的计算效率和精度更高。5.提出了基于PDOP值的自适应因子模型。与传统自适应引资模型相比,该模型在滤波过程中对观测信息的利用更加充分,自适应因子的构造更为灵活、准确。实验结果表明,采用改进的自适应因子模型可以得到更为平滑的定轨结果,定轨精度有所提高。6.研究了编队卫星的自适应实时相对定轨算法;对比了基线距离对EKF和自适应滤波结果的影响;研究并实现了基于伪距和载波相位观测量的自适应实时相对定轨方法,提出具有先验信息的载波相位相对定轨方法。实验结果表明,基线距离对扩展Kalman滤波的影响更为明显,而伪距、载波相位的自适应实时相对定轨方法结果稳定,相对轨道精度分别为9cm、6cm。本文实现的实时相对定轨方法中,具有先验信息的载波相位相对定轨方法精度最高。

关键词： GPS 低轨卫星编队卫星实时定轨实时相对定轨几何法动力平滑抗差自适应滤波抗差Kalman滤波

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基于星载GPS的编队卫星实时高精度相对定轨算法研究

基于星载GPS的编队卫星实时高精度相对定轨算法研究

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作者：任杰武汉大学

学位级别：硕士

多颗小卫星编队飞行代替单颗大卫星是航天领域的重要发展趋势,也是实现InSAR以及重力场反演等科学任务的关键性技术,而小卫星相对位置的精确确定是编队飞行重要的基本问题之一。编队飞行的实时高精度相对定轨技术既能满足飞行任务的实时... 详细信息

多颗小卫星编队飞行代替单颗大卫星是航天领域的重要发展趋势,也是实现InSAR以及重力场反演等科学任务的关键性技术,而小卫星相对位置的精确确定是编队飞行重要的基本问题之一。编队飞行的实时高精度相对定轨技术既能满足飞行任务的实时性,也是未来实现收发分置空基雷达、虚拟天线阵列等技术的前提。国内对于实时高精度相对定轨的研究相对较晚,短基线编队实时定轨仍然停留在利用伪距观测值阶段,对于中长基线仍在模拟验证阶段,距离工程应用差距较大,需要进一步的深入研究。因此,本文在动力学模型约束下,以轨道高度为460km-480km、基线长约为190km的GRACE卫星实测数据为例,基于单差无电离层相位观测值和UD滤波,实现高精度实时相对定轨软件RPOD,为相关研究和工程应用提供了参考。为了实现上述目的,本文针对影响实时相对定轨的三个关键问题进行了较为细致的研究:一是研究分析了影响相对定轨结果的各项观测值误差,包括电离层误差、广播星历误差、参考站位置误差、接收机钟差;二是通过绝对力学模型求差来获得“相对力学模型”,以控制观测值质量,约束相对轨道精度;三是设计优化了参数估计策略,本文采取单差相位法,在UD滤波器的基础上,利用一阶高斯马尔科夫过程的RTN方向补偿加速度来补偿相对力学模型的不足,并将相对接收机钟差以随机游走过程及钟差钟速模型近似。具体研究内容和结论如下:（1）较为系统地研究了实时相对定轨的观测模型、观测误差、力学模型和数据预处理方法。比较了已有的各种相对定轨方法,阐述了单差相位法的优缺点,进而提出了基于单差相位观测值作为实时相对定轨观测模型的实现方案;分析了电离层延迟误差、广播星历误差、参考站位置误差、接收机钟差等对相对定轨结果精度的影响,进而分析了在当前的误差影响下实现高精度实时相对定轨的可能性;研究给出了实时相对定轨的观测模型,分析了不同预报时长、重力场阶数下相对力学模型短期预报精度,结果显示为了实现高精度相对定轨,重力场阶数应不低于15x15阶;简要介绍了本文所采用的适用于单差观测值的伪距粗差探测、相位周跳探测的方法,并针对实时相对定轨的特点,采用相对力学模型来对伪距观测值进行质量控制。（2）编程实现了基于单差相位模型和UD滤波的星载GPS实时相对定轨软件,并基于广播星历和实测的长基线GRACE A/B卫星编队数据开展了实时相对定轨模拟计算与分析。结果显示,同JPL发布的事后精密轨道比较,分别采用直接差分法、单差伪距法、单差相位法的GRACE实时相对定轨三维位置精度分别为:0.55m、0.41m、0.1 1m,说明采用本文的相位单差定轨方案可以实现高精度的实时相对定轨,其R、T、N三个方向位置精度RMS分别为5cm、6cm、7cm,与国际上利用广播星历的无电离层载波相位双差法的精度相当。（3）在比较分析的基础上,优化了相对定轨的策略。为了给出适合于GRACE实时相对定轨的最优处理策略,本文通过设计多个不同的实验,较为细致地分析了补偿加速度的初始方差及其一阶马尔科夫过程的相关时间、稳态方差,接收机钟差的初始方差及其随机游走过程的相关时间、稳态方差等不同参数对实时相对定轨结果的影响。可以得出以下结论:第一,R、T、N的补偿加速度、接收机钟差参数初始方差对滤波收敛后的结果影响较小,但模糊度初始方差过小可能导致滤波发散;第二,补偿加速度过程噪声对滤波结果有明显影响,无论是稳态方差还是相关时间增大或减小,都会导致无法获得最优的滤波结果;第三,观测间隔越长,滤波结果越差,本文建议观测间隔不小于30s。（4）对比最优参数设置下接收机钟差随机游走模型与钟差钟速模型,得到钟差钟速模型可以进一步提高相对定轨精度到7.7cm;并基于钟差钟速模型对长短基线进行解算,单天位置精度均优于10cm,速度精度均优于0.12mm/s。

关键词：编队卫星星载GPS 实时相对定轨 GRACE 单差相位法

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