星载GNSS定轨技术的应用研究

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随着星载GNSS技术的发展成熟,基于星载GNSS技术的应用越来越广泛。将星载GNSS接收机安装在不同类型的飞行器上,可以通过接收导航卫星信号进行飞行器轨道确定,保障飞行器执行任务。星载GNSS定轨技术的原理为,搭载在飞行器上的GNSS接收机接收GNSS卫星的导航信号,利用对多颗GNSS卫星的多历元距离观测量进行动力学定轨,解算飞行器的状态量和动力学模型参数,得到飞行器的位置和速度信息。  星载GNSS技术从最初应用于低轨重力卫星(如GRACE卫星、CHAMP卫星等)精密定轨,到现在广泛应用于遥感卫星、微纳卫星、空间航天器、GEO卫星、上面级、深空探测器等诸多领域,为空间用户的精密轨道需求提供了新的解决方案。随着我国制造业的发展,各种国产的星载GNSS接收设备纷纷亮相于各类空间飞行器。本文首先预估了GNSS卫星对不同轨道高度用户的精密服务URE、GPS卫星可见数、PDOP值以及LEO/GEO卫星的导航信号测量精度进行了分析。此外,对GPS Block IIF卫星、Galileo卫星和BDS3试验卫星的星载原子钟在轨性能进行了评估和比较,验证了BDS3试验卫星星载原子钟的频率稳定性、钟差预报精度和钟速稳定性都达到了较理想的水平,可以维持高精度的星上时间基准,具备提供高精度星载BDS应用的能力。最后使用实测和仿真数据对不同高度空间用户、不同星载GNSS接收机的定轨精度进行了分析,对影响星载GNSS定轨精度的各项因素进行了验证分析。  本文的具体内容和得到的主要结论如下:  1、从几个轨道高度的GNSS卫星精密服务URE的预估结果看,随着用户轨道高度的增大,GNSS卫星切向和法向的轨道误差对URE的贡献不断增大。因此高轨GNSS精密应用对GNSS卫星的切向及法向轨道精度有更高地要求。对于LEO卫星,星载GNSS测量精度在0.Sm左右;对于GEO卫星,由于接收到的主瓣、旁瓣信号功率衰减较多,其测量精度在3m左右。此外,星载GNSS接收机也是制约测量精度的一个重要因素。从统计的几个型号的星载GNSS接收机的测量精度看,目前国产高精度星载GNSS接收机的测量精度己可满足较高精度的定轨需求。  2、BDS3试验卫星C32氢原子钟频率天稳约为6×10-15,短期预报精度为0.26ns,中期预报精度为0.38ns,长期预报精度为2.2ns,15天钟速变化为-1.83×10-14,好于BDS3铷钟和绝大部分的GPS Block IIF和Galileo星钟。分析结果表明,BDS3试验卫星星载氢原子钟的频率稳定性、钟差预报精度和钟速稳定性都达到了较理想的水平,可以维持高精度的星上时间基准,具备提供高精度星载BDS应用的能力。  3、分别使用GRACE-A/B卫星、TG02航天器、XX卫星、APOD-A卫星和XY2卫星的实测星载GNSS数据进行动力学精密定轨处理,重点分析了国产星载GNSS接收机在定轨处理中的表现。从处理结果看,低轨卫星的星载GNSS定轨精度在基本在10cm以内,MEMS星载接收机数据也能较好地保证低轨卫星的定轨精度;GEO卫星的伪距星载GNSS定轨精度在数十米左右。此外,简要考察了大体积卫星的姿态和天线相位中心对定轨精度的影响,以及观测数据随机噪声、GNSS卫星轨道误差、数据弧长、天线相位中心标定与接收机时标对星载GNSS定轨处理的影响。  4、分别使用实测GRACE-A/B数据和仿真SAR双星数据进行基线解算,通过与KBR数据和仿真理论轨道的比较,基线精度分别为6.5mm和2.0mm。对于星间距较大的双星系统,基于星载GNSS的基线解算尚需完善。
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