星座自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、基于星間鏈路實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星座的自主運(yùn)行是滿(mǎn)足復(fù)雜形勢(shì)下導(dǎo)航戰(zhàn)需求的一項(xiàng)重要技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)一方面可降低衛(wèi)星對(duì)地面運(yùn)行控制段的依賴(lài)，在衛(wèi)星失去與運(yùn)行控制段的聯(lián)系后，實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)的自主運(yùn)行，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的生存能力；另一方面對(duì)于受?chē)?guó)際政治影響難以在全球建立地面觀測(cè)站的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，例如我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由于衛(wèi)星可視弧度受限，系統(tǒng)面臨無(wú)法在全球范圍維持高精度運(yùn)行的難題，聯(lián)合使用星間鏈路和本土地面觀測(cè)站星地鏈路，

2、是解決這一難題的有效手段。因此研究星座自主導(dǎo)航技術(shù)，具有重要的工程價(jià)值和戰(zhàn)略意義。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、裴槍?duì)傳統(tǒng)在軌數(shù)值積分器使用衛(wèi)星位置速度作為狀態(tài)變量，受限于星載平臺(tái)的運(yùn)算能力導(dǎo)致數(shù)值積分精度有限這一問(wèn)題，在星座自主導(dǎo)航中引入使用軌道根數(shù)作為狀態(tài)變量的數(shù)值積分器。使用相同的4階龍格-庫(kù)塔方法，按照15min的步長(zhǎng)外推一天后，位置速度型積分器引入的軌道誤差達(dá)到6km，而軌道根數(shù)型積分器引入的誤差僅為5cm。為實(shí)現(xiàn)相同的積分

3、精度，軌道根數(shù)型積分器的計(jì)算耗時(shí)更小，并且減小的幅度隨著地球非球形攝動(dòng)力模型階次的提高而增大，在8*8階次時(shí)計(jì)算耗時(shí)減小20％，在20*20階次時(shí)減小40%.
　?、漆槍?duì)傳統(tǒng)最小二乘方法無(wú)法求解星間觀測(cè)條件下衛(wèi)星軌道的問(wèn)題，研究了基于參數(shù)加權(quán)平差的自主定軌算法?；谛情g偽距或速率觀測(cè)存在秩虧現(xiàn)象，體現(xiàn)為升交點(diǎn)赤經(jīng)系統(tǒng)誤差無(wú)法修正。參數(shù)加權(quán)平差利用星座先驗(yàn)軌道信息和星間測(cè)距信息可在秩虧條件下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自主定軌，并且在星間測(cè)距的基礎(chǔ)上

4、增加測(cè)速信息可進(jìn)一步提高定軌精度，其中，位置精度改善相對(duì)較小，速度精度的改善較為顯著；進(jìn)一步的分析表明若星間鏈路能夠?qū)崿F(xiàn)分米級(jí)或更高精度的測(cè)距，此時(shí)再進(jìn)行星間測(cè)速對(duì)自主定軌精度的提高有限。
　?、轻槍?duì)自主導(dǎo)航模式下衛(wèi)星使用含有預(yù)報(bào)誤差的地球定向參數(shù)（EOP）導(dǎo)致地固系坐標(biāo)出現(xiàn)較大偏差這一問(wèn)題，提出基于錨固站的EOP預(yù)報(bào)誤差抑制技術(shù)。使用經(jīng)典的傅里葉級(jí)數(shù)預(yù)報(bào)模型對(duì)EOP進(jìn)行180天的預(yù)報(bào)，最大預(yù)報(bào)誤差可導(dǎo)致星座在地固系下出現(xiàn)168.

5、4m的位置誤差，進(jìn)一步分析表明這一誤差主要表現(xiàn)在水平分量上，徑向分量較小，并且通過(guò)星間鏈路無(wú)法消除。基于最大EOP預(yù)報(bào)誤差的仿真表明，引入錨固站后，EOP預(yù)報(bào)誤差的影響被有效抑制，在星間、星地測(cè)距精度均為2m的條件下，星座位置誤差減小為1.7m，隨著錨固站觀測(cè)精度的提高以及所處緯度的降低，這一誤差可進(jìn)一步減小。
　?、柔槍?duì)升交點(diǎn)赤經(jīng)系統(tǒng)誤差不可觀測(cè)而引起的星座整體旋轉(zhuǎn)這一問(wèn)題，分別從系統(tǒng)層面和終端用戶(hù)層面，提出了聯(lián)合星間星地鏈路的

6、旋轉(zhuǎn)抑制技術(shù)（CRMT）和基于差分原理的旋轉(zhuǎn)校正技術(shù)（DRCT）兩種解決措施。分析并仿真驗(yàn)證了CRMT在系統(tǒng)層面抑制星座整體旋轉(zhuǎn)影響的有效性，在升交點(diǎn)赤經(jīng)誤差為20″的條件下，CRMT將星座的用戶(hù)測(cè)距誤差（URE）從289m降至3.8m，并且URE隨著星地觀測(cè)精度的提高而降低；在星地觀測(cè)精度較高的條件下，增加地面站數(shù)量對(duì)URE改善有限。DRCT的依據(jù)是星座升交點(diǎn)赤經(jīng)的系統(tǒng)誤差將導(dǎo)致地面用戶(hù)的大地經(jīng)度出現(xiàn)等值偏差，在數(shù)學(xué)上給出了該依據(jù)成立

7、的嚴(yán)格證明；分析并仿真驗(yàn)證了DRCT在終端用戶(hù)層面校正星座整體旋轉(zhuǎn)影響的有效性，在星座旋轉(zhuǎn)誤差小于1′的條件下，地面用戶(hù)使用DRCT后可實(shí)現(xiàn)小于1.5m的水平誤差和小于3mm的高程誤差，星座旋轉(zhuǎn)誤差對(duì)用戶(hù)的定位影響被有效校正；在靠近赤道方向布設(shè)基準(zhǔn)站，有利于差分校正能力的提高。
　　⑸針對(duì)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證需求，設(shè)計(jì)了自主導(dǎo)航半實(shí)物測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)60天的自主導(dǎo)航性能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。在星間信號(hào)模擬子系統(tǒng)的研究中，首次推導(dǎo)了混合星

8、座的星間觀測(cè)相對(duì)論效應(yīng)誤差公式，得出中地球軌道（MEO）和地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星之間的測(cè)距值存在8.2us/天的變化量；基于三級(jí)數(shù)控振蕩器實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)星間大多普勒條件下的信號(hào)實(shí)時(shí)生成，并給出了硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程的截?cái)嗾`差對(duì)測(cè)距影響的解析表達(dá)式。在自主導(dǎo)航解算子系統(tǒng)的研究中，使用星間雙向測(cè)距體制實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星位置與鐘差的解耦，并研究了基于星間雙向測(cè)距和的星歷濾波算法和基于星間雙向測(cè)距差的時(shí)鐘濾波算法?；谡撐脑O(shè)定的仿真條件對(duì)星座自主導(dǎo)航性能的測(cè)試表