论文部分内容阅读
广播星历是卫星导航电文的核心,其表示方式直接决定了通信效率和用户导航定位的精度。因此,广播星历的模型设计是导航系统的关键技术。传统的广播星历模型主要是针对中高轨卫星设计,不宜直接用于摄动变化更复杂的低轨卫星。低轨卫星作为导航增强系统的重要组成部分,其定轨精度的提高,对广播星历的精度提出了更高的要求,需要针对低轨卫星的轨道动力学特性,设计合适的广播星历参数模型。广播星历的模型设计主要包括三个部分工作:短期轨道动力学表征方法(参数设计和拟合算法);用户卫星位置算法;导航电文星历参数接口设计。本文分别针对轨道根数型和轨道列表型两类星历模型进行了深入研究,并针对300~1500km高度的LEO卫星设计了不同参数个数的星历模型,给出了卫星位置算法,并设计了星历参数接口。主要研究内容和结论如下:(1)设计了基于地心地固(ECEF)坐标系、适用于低轨卫星的19/22/25参数的轨道列表型星历模型。通过分析ECEF坐标系下低轨卫星摄动力特征,使用二次多项式和周期项吸收摄动经验力。全面分析了星历参数个数、拟合时长、数据间隔、轨道高度等因素的影响,为后续的星历模型改进和设计分析奠定了基础。通过GRACE-A卫星实测数据表明,使用设计的22参数星历,20min星历拟合的用户测距误差(URE)平均值为8.4厘米,10min星历拟合的URE平均值为0.7厘米。(2)提出了基于RTN坐标系、适用于低轨卫星的15/16/18参数轨道列表型广播星历模型。针对近圆轨道的大气阻力沿迹向特征,将常数项+周期项的经验力分解在RTN三个方向上,其优点是能够灵活地根据摄动力分量的量级和变化特点进行参数缩减,增强了设计的可拓展性。从用户的角度出发,将卫星的最大可见时长作为拟合时长,在保证星历拟合精度的同时,减少了用户的更新频率。300~1500km高度的卫星拟合实验表明,16参数模型在R/T/N三方向拟合误差分别保持在11/10/3厘米以内,URE的均方根误差保持在10厘米以内;18参数模型在R/T/N三个方向拟合误差分别保持在5/4/3厘米以内,URE的均方根误差保持在4厘米以内。(3)研究了GPS16/18参数星历模型对LEO卫星的适应性改造。针对小偏心率奇点问题,改进了拟合算法,先计算基于第一类无奇点根数的参数集,然后转换为标准广播星历参数。根据两步法设计了基于第一类无奇点根数的16/18参数拟合算法,消除了法矩阵的病态性,解决了小偏心率奇点问题。基于相同数据的拟合实验表明,对于300~1500km高度的卫星,16参数模型在R/T/N三方向拟合误差分别小于7/16/3厘米,URE的均方根误差优于10厘米;18参数模型R/T/N三方向拟合误差分别小于3/7/1厘米,URE的均方根误差优于4厘米。(4)分别对轨道列表型和轨道根数型的16/18参数星历模型进行了接口设计。若不考虑时间参数,轨道列表型16/18参数星历模型总共占用280/326比特位,相对于经典的GPS16/18参数广播星历分别减少了62/100个。轨道根数型的16/18参数星历模型总共占用314/360比特位,相对于经典GPS16/18参数星历模型分别减少了28/66个。轨道列表型星历在比特位个数上占有较大优势,且参数变化更稳定;但是轨道根数型星历在星历通用性上占有较大优势,能够与现有的GPS/BDS/GALILEO星历较好融合。