基于地面跟踪站观测技术的GPS卫星定轨研究及程序设计

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卫星的在轨跟踪与定轨是确定卫星系统安全性和可用性的核心,因此也成为卫星导航领域中研究的热点,尤其是目前我国正在建设自己的北斗二代全球卫星导航系统,如何准确且快速地获得高精度的轨道更成为当前亟待解决的问题。虽然目前GPS等其它卫星导航系统的精密定轨技术相对比较成熟,但我国的北斗二代全球卫星导航系统由于存在星座异质性、基准站数量少且无法全球分布等多个因素的影响,目前的定轨精度相对较低,难以满足高精度实时定位导航的需求。GPS系统作为目前全球应用最广泛的卫星导航系统,其轨道精度可以达到2cm,由于GPS系统的基准站遍布全球,所以可以利用成熟的GPS系统来研究精密定轨的理论以及分析基准站的数量和分布对卫星定轨的影响,总结提出改进的定轨方法以及总结分析基准站对精密定轨的影响,并以此为基准拓展到我国北斗二代全球卫星导航系统的精密定轨研究中。本文从卫星轨道的基本理论出发,对基准站的个数和分布对卫星事后星历以及实时星历解算的影响做了详细分析,并基于相关的理论研究基础,设计编制了轨道积分程序。论文的具体研究工作如下:(1)基于卫星定轨理论与研究方法,采用不同个数的区域基准站对GPS广播星历进行轨道改进,得到了20cm-30cm的区域站定轨结果;采用不同个数的全球基准站对GPS广播星历进行轨道改进,得到了cm级的全球站定轨结果。(2)分别用区域基准站以及全球基准站的实时数据对GPS卫星轨道进行约束定轨。结果显示附加基准站数据的实时轨道较直接预报轨道的精度在大部分时间有了明显改善,但是在起始时间段有较大波动。(3)模拟分析中心,以3天为一弧段对GPS快速星历和超快速星历进行连续一个月的解算,得到延迟一天的快速星历以及近实时的超快速星历,其中超快速星历每6小时更新一次,并附加了实时数据的约束。结果显示快速星历的精度大致在6.8cm左右,超快速星历的精度除个别异常点外保持在20cm以内。(4)以7天为一弧段解算GPS事后星历。结果显示径向精度在3cm左右,要优于较短弧段解,但是切向和法向精度较低。(5)基于GPS卫星的定轨研究基础,利用实验数据对北斗二代导航系统进行定轨解算,结果显示GEO卫星的定轨结果为128.9cm,IGSO卫星的定轨结果为36.9cm,并且在GEO卫星和IGSO卫星共同定轨时,GEO卫星使IGSO卫星的定轨精度降低。(6)基于前文的理论和研究基础,编写了定轨中的核心部分轨道积分软件模块,结果显示本文设计的轨道积分程序可以较好地完成轨道积分过程,进行一天的轨道积分后整个星座的精度大致在20cm左右。
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