【摘 要】
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人造地球卫星在宇宙空间环境中的运动会受到多种摄动力的影响,使得卫星运行轨道不再是理想的开普勒无摄圆轨道。卫星受到的摄动力分为保守力和非保守力两部分,太阳光压摄动是导航卫星受到的最大非保守力,由于受复杂的太阳活动、卫星物理特性以及在轨调姿等多种因素的影响难以对其精确建模,而且适用于GPS卫星系统的太阳辐射压摄动不适用于新一代全球导航卫星系统例如北斗BDS和伽利略Galileo。不精确的力模型将直接影
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人造地球卫星在宇宙空间环境中的运动会受到多种摄动力的影响,使得卫星运行轨道不再是理想的开普勒无摄圆轨道。卫星受到的摄动力分为保守力和非保守力两部分,太阳光压摄动是导航卫星受到的最大非保守力,由于受复杂的太阳活动、卫星物理特性以及在轨调姿等多种因素的影响难以对其精确建模,而且适用于GPS卫星系统的太阳辐射压摄动不适用于新一代全球导航卫星系统例如北斗BDS和伽利略Galileo。不精确的力模型将直接影响导航卫星系统所提供服务的质量和性能,而提供高精度的导航卫星轨道信息,是导航卫星各类应用需求的前提和基础。因此,在导航卫星上安装星载加速度计直接测量非保守力,对于提升导航卫星服务性能具有现实意义。本文在此基础上还研究了低轨卫星载波相位差分法直接解算卫星速度与加速度。近年来,各国发射了大量低轨卫星均搭载有星载GPS接收机用于提供精密轨道信息。相比于低轨卫星动力学和简化动力学轨道,运动学轨道仅利用GPS几何距离观测值实现对低轨卫星的精密定轨,不包含先验重力场和力学模型信息。但精密运动学轨道不可避免地会涉及到整周模糊度固定问题,导致轨道解历元间存在相关性;且不能直接提供速度和加速度信息。而动力学方法和简化动力学方法或多或少受到先验重力场和力学模型的影响,其解算出来的精密轨道会包含先验重力场信息。如果应用于纯卫星重力场解算的话,会导致最终卫星解存在一部分“污染”。载波相位直接差分得到速度、加速度相比于先精密定位/定轨再位置差分法而言,能削弱了轨道解/位置解历元间相关性对其微分速度和加速度的影响,无需固定模糊度。本文主要的研究内容如下文所述:（1）总结介绍了目前主要的太阳辐射压建模方法,详细阐述了三类建模方法的思想及背景,以及三类光压模型具体的模型细节。阐述了分析型光压模型、经验型光压模型和半分析/半经验型光压的优缺点及适用条件。（2）详细介绍了卫星精密定轨动力学方法的数学模型,给出了主要的力模型、卫星运动方程以及观测方程,重点研究了变分方程的解算。（3）基于GPS相位观测值精确确定GRACE Follow-On卫星速度和加速度,探讨不同参数设置的FIR微分器、不同光压产品以及观测值采样频率对GRACE Follow-On卫星精密速度和加速度解算结果的影响。结果表明:（i）当微分器长度设置为9点时,GRACE Follow-On C/D卫星速度精度（微分间隔=60 s）3D RMS可达0.2276 mm/s、0.2919 mm/s;加速度速度精度（微分间隔=90 s）3D RMS可达4.1μm/s2和4.5μm/s2。（ii）对于10 s采样的GRACE Follow-On卫星数据,CODE 5 s钟差产品的精度优于IGS 30 s,当降采样为30s时,两者精度相当,实际数据处理时需考虑该因素的影响。（4）介绍了目前人造卫星上荷载的加速度计的基本参数及特性,并讨论导航卫星上所需星载加速度计的性能要求,主要包括测量范围和分辨率。基于A～E五种不同精度的加速度计,利用卫星IGS精密星历和已知的跟踪站位置,仿真GPS卫星精密定轨。研究结果表明,导航卫星安装星载加速度计直接测量受到的非保守力,用于精密定轨实验中,随着加速度精度的提高,校准得到的加速度计参数与“真值”逐渐接近,误差减小。方案C～D中的加速度计增强导航卫星精密定轨精度与使用ECOM 9参数模型相当,测量精度优于=1×10!"m/s#的星载加速度适用于导航卫星精密定轨,与其增强北斗自主定轨性能所需精度相当。且基于星载加速度计增强的导航卫星在反演低阶重力场系数上具有一定优势,验证了星载加速度计增强导航定位服务性能的正确性和有效性。
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