北斗三号星间链路集中式自主定轨关键技术研究

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星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)具有星间测量和通信能力,是现代全球卫星导航系统的重要组成部分。在星间链路的支持下,卫星导航系统就能具有自主定轨(Autonomous orbit determination,AOD)的能力,可以在缺少地面运控系统(Operational Control Segment,OCS)支持的情况下实现卫星星历的在轨更新,提高导航系统在特殊时期的生命力。作为发展最快的卫星导航系统之一,北斗卫星导航系统已于2015年3月至2016年2月完成了一个在轨试验星座,并开展了星间链路技术及其在自主定轨中的应用验证。自2017年11月第一颗第三代北斗卫星成功发射至2018年底,第三代北斗卫星导航系统(简称北斗三号)形成了18MEO+1GEO的基本星座。北斗三号卫星全部搭载了星间链路载荷,实现了基于Ka波段的星间测量和通信,如何利用星间链路数据实现星座自主定轨功能是我国北斗建设过程中必须解决的一个核心问题。目前,美国在GPS自主定轨方面已有比较完整的理论,并在GPS BLOCK IIR及以后的卫星上实现了自主定轨功能,但其自主定轨系统的关键技术并未公开。近年来,国内部分学者对自主定轨也进行了一些有益的研究和探索,但大都采用仿真数据,将实测星间链路数据应用于导航卫星自主定轨的研究成果还比较少。本论文旨在系统深入地研究集中式自主定轨中的关键技术,并将北斗三号实测星间链路应用于自主定轨,以期为后续我国北斗卫星导航系统全面实现自主定轨提供理论参考和技术支持。主要工作和贡献如下:(1)回顾了卫星导航系统星间链路发展概况以及自主定轨技术的研究现状;梳理总结了卫星定轨的基本理论,详细推导了基于星间链路观测值进行集中式自主定轨的数学模型。(2)在Kalman滤波算法中增益矩阵的计算需要进行求逆操作,当计算过程中求逆的矩阵失去非负定性时,增益矩阵将会产生很大的误差,将造成参数估值的巨大误差。针对此问题和自主定轨的处理运算特点与需求,本文引入了基于UD分解的Kalman滤波算法,避免矩阵求逆运算,不仅可以减小滤波测量更新的计算量,而且能够提高自主定轨处理的稳定性。(3)针对常规批处理算法中,法方程形成计算量大以及法方程可能病态的问题,本文在分析集中式批处理自主定轨的解算特点和需求的基础上,引进了不求平方根的Givens-Gentleman(GG)正交变换方法。其显著优点在于:实现了对观测资料的逐个处理,避免了因系数矩阵太大而造成内存大量占用的弊病;充分利用了系数矩阵含有大量零元素的特点大大减小计算量;避免了一般正交变换中大量的开方运算,在获得精度较高解的同时,提高了参数求解的效率。(4)给出了一种利用事后精密轨道和钟差进行星间链路时延值标定的简单方法。结果表明,星间链路设备收发时延和具有很好的稳定性,30天内标准差优于0.1m;而设备收发时延差稳定性较差,30天内标准差达到了0.3m。(5)利用北斗三号卫星的Ka波段星间双向测距数据,实现了连续30天的集中式自主定轨的滤波处理。结果表明:在十八颗MEO卫星场景下,自主定轨的平均三维误差小于2.0m,轨道综合误差URE精度优于0.5m,所有卫星的星间链路观测值验后残差RMS小于0.5m,SLR检核30天轨道的残差RMS小于0.4m。(6)实现了基于北斗三号星间链路的集中式批处理自主定轨。其7天内的星座平均径向误差小于0.1m,URE优于0.25m;相比于基于滤波的集中式自主定轨,7天内轨道的径向、切向以及法向精度可分别提升11.87%、15.52%和28.31%。
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