| 题名 | 星载GPS卫星定轨中若干问题的研究 |
| 作者 | 吴江飞 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2006-06-10 |
| 授予单位 | 中国科学院上海天文台 |
| 授予地点 | 上海天文台 |
| 导师 | 黄珹 |
| 关键词 | 低轨卫星 GPS 精密单点定位 运动学定轨 抗差估计 Unscented卡尔曼滤波 非线性动力学平滑 非线性自适应抗差滤波 |
| 英文摘要 | 与传统的地基卫星跟踪系统不同，星载GPS能给低轨卫星提供相对经济、精确、连续和完整的跟踪。由于具有全球覆盖以及三维观测的特点，GPS系统给低轨卫星定轨提供了非常丰富的几何信息，利用星载GPS确定卫星的轨道已逐步成为低轨卫星轨道测定的一种主要手段。 目前，关于星载GPS卫星定轨的研究已成为国内、外研究的一个热点，国际上许多著名机构都在积极地推进星载GPS定轨技术的发展，并已取得了较大进展。 本文对星载GPS卫星定轨的有关问题进行了深入研究，主要研究了如下内容： 1. 研究了星载GPS卫星运动学定轨的基本原理和方法，分析了各种运动学定轨法的优点和不足，讨论了星载GPS卫星运动学定轨及相关研究的进展。 2. 研究了三种精密单点定位（PPP）模型，即传统模型、UofC模型和无模糊度模型，对它们进行了深入地分析、讨论，并分别将它们应用到CHAMP卫星星载GPS实测数据处理中，得到了各自的非差运动学定轨结果。轨道比较的情况表明，采用三种PPP模型的定轨结果都能达到厘米级的精度。从目前事后处理的情况来看，传统模型的定轨结果稍好一点；UofC模型的定轨结果次之，但与传统模型的结果相差不大；无模糊度模型的定轨结果稍差一点。 三种PPP模型的区别，主要表现在对模糊度的处理上面。传统模型对组合模糊度直接迭代求解，虽然在事后处理中能获得较好的定轨结果，但由于迭代收敛较慢，这种模型不太适合于实时定轨；UofC模型可以分开估计两个载波上的模糊度，从而加快定轨结果的收敛，这种模型适于实时定轨，但由于在模糊度的解算方面仍面临一些困难，所以这一模型的优势没有完全体现出来；无模糊度模型干脆将模糊度全消除了，解算速度较快，这种模型适于实时定轨，但由此也引起新的问题，如观测资料利用率低、受数据中断的影响较大等。实际应用中，应根据定轨任务的要求来选取模型。 3. 深入研究了抗差估计理论。并针对星载GPS不同于地面GPS所处环境，以及星载GPS卫星非差运动学定轨的特点，提出了将抗差估计应用于星载GPS卫星非差运动学定轨的新方案，一方面可以尽量保留来自每颗GPS卫星的观测值，保持较强的卫星几何强度，充分利用观测信息避免轨道求解出现奇异；另一方面，采用抗差估计中的等价权思想，有效地降低质量较差的观测值对定轨结果的不利影响，保证定轨精度。采用CHAMP卫星的实测GPS数据进行了定轨计算，与GFZ科学轨道比较结果显示，抗差估计结果比最小二乘估计结果在切向、法向和径向都有明显的改进，验证了新方案的可行性和有效性。 在运动学定轨中，有效的卫星跟踪个数和好的GPS数据质量是很重要的。由于周跳和粗差可以大大的降低最终轨道的精度，因而周跳探测和粗差处理是运动学定轨处理中一项非常重要的任务。为了避免将有误差的观测值当作粗差剔除掉，数据预处理中采用较大的阈值是比较稳妥的，尽可能保留更多的观测信息，然后在定轨数据处理中采用积极、有效的粗差处理方法，既可避免轨道求解的奇异性，又可抑制粗差的不利影响。 4. 深入研究了一种新型的非线性滤波理论，即Unscented卡尔曼滤波（UKF），并对其滤波精度进行了分析。以星载GPS卫星的运动学轨道为基础，基于UKF，首次提出了一种运动学轨道的非线性动力学平滑方法。UKF是直接对非线性系统进行滤波，计算复杂度与EKF基本相当，且不必计算动态方程和量测方程的Jacobian矩阵，从而可应用于不可导的非线性动态系统，它不存在线性化模型误差的影响，UKF精度高于EKF，在滤波性能上要优于EKF。在星载GPS卫星运动学轨道的非线性动力学平滑中的应用验证了这一点。 5. 针对UKF在应用中存在的不足，研究了平方根UKF（SR-UKF），即UKF的平方根形式，并对其在运动学轨道的非线性动力学平滑中的应用进行了分析。SR-UKF具有UKF相对于EKF的所有优点。另外，与UKF相比，SR-UKF还有两个明显的优点，首先，在滤波过程中直接以协方差阵的平方根形式进行递推更新，这样可以降低计算负担获得更高的计算效率；其次，能确保协方差阵的非负定性，从而具有更好的数值稳定性，可以获得更稳定可靠的结果。SR-UKF在星载GPS卫星运动学轨道的非线性动力学平滑中的应用也进一步验证了其性能要优于EKF和UKF。 6. 基于非线性滤波理论和抗差估计理论，提出了一种新的非线性自适应抗差滤波定轨算法，即AR-SRUKF。新方法综合了非线性滤波和自适应抗差滤波的优点，首先采用了非线性滤波来提高估值的精度，避免了模型线性化误差的影响；另外采用双因子方差膨胀模型来自适应地调节观测噪声协方差阵，以控制观测异常对定轨结果的影响；最后通过自适应因子来实时调节状态噪声协方差阵，以降低状态异常对定轨结果的影响。新方法的独特之处还在于当对状态噪声协方差阵的平方根和观测噪声的协方差阵进行自适应修正估计时，只采用矩阵的乘运算，而不进行加减法运算，从而消除了协方差阵的负定现象。通过CHAMP卫星星载GPS实测数据的定轨计算和比较，验证了新方法的可行性和有效性。 7. 根据本文提出的方法，研制了相应的星载GPS卫星定轨处理软件。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-07-01 |
| 页码 | 130 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://119.78.226.72//handle/331011/14592]  |
| 专题 | 上海天文台_中国科学院上海天文台学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吴江飞. 星载GPS卫星定轨中若干问题的研究[D]. 上海天文台. 中国科学院上海天文台. 2006. |
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