北斗导航卫星光压模型构建与精化研究

论文摘要

作为对地观测系统的重要组成部分,全球卫星导航系统自上世纪九十年代以来在为用户提供基本导航、授时和定位的同时,也对空间大地测量的发展和地球参考框架建立与维持等相关科学应用作出重要贡献。目前多模GNSS蓬勃发展,作为我国重要空间战略资源的北斗卫星导航系统经历了若干年来的技术积累,其基本服务已由区域走向全球。卫星轨道参数是导航卫星系统提供天基参考框架的核心信息,提升其定轨精度一直以来是卫星导航领域的研究热点。高精度的卫星轨道确定依赖于几何观测值条件和动力学模型精度,对于处于上万公里高度的导航卫星而言,在所受到的摄动力中,除地球和其他星体三体引力外,太阳光压力的影响最大。本文的研究主题围绕构建和精化北斗导航卫星光压摄动模型展开。国内外学者针对导航卫星相关几何误差改正和包含太阳光压在内的动力学模型精化进行了广泛的研究。然而作为新兴卫星导航系统的北斗,其定轨精度则有待进一步提升。此外,相比于其他仅使用MEO的卫星导航系统,北斗作为唯一使用GEO/IGSO/MEO异构星座的全球卫星导航系统,在兼顾重点服务亚太区域等诸多优点的同时,也为其高精度定轨带来了挑战。本文在系统学习并总结其他导航星座卫星的光压建模发展历程的基础上,针对北斗导航卫星的新特点,着力于构建和精化覆盖北斗二号和三号卫星全星座、并顾及实际卫星姿态和本体结构信息的光压模型。论文的主要工作和贡献如下:（1）总结了国内外导航卫星精密定轨理论的发展现状,并详细介绍了导航卫星精密定轨中的非保守力模型。系统梳理了全球卫星导航系统光压模型的发展历程和不同光压模型的优缺点,以及光压建模研究的难点和热点。（2）分析了经典光压模型对北斗二号和三号卫星精密定轨的适用性。在系统总结全球导航卫星光压建模理论和方法的基础上,发展了一套针对北斗导航卫星并光压模型的构建和精化方法。构建和精化了从北斗二号到北斗三号全星座覆盖的高精度光压模型。其相对于传统经验型光压模型既顾及了光压辐射的物理学意义,又具备经验型光压模型简洁高效的特点。（3）针对当前北斗GEO卫星精密定轨过程中出现显著影响其轨道精度的系统性误差,通过分析确定了C波段通信天线是造成上述误差的主要原因,并利用实测数据量化其对轨道精度影响的具体量级。此外,修正了可校正box-wing模型中太阳帆板的实际姿态和考虑C波段天线及其遮挡的影响,构建了针对北斗GEO卫星的高精度光压模型。该模型不仅能够有效消除由于太阳光压摄动引起的与太阳方位角或轨道倾角和轨道角相关的轨道误差,还可以明显降低其轨道径向存在的常量偏差,显著提升了北斗GEO卫星的径向定轨精度。实际数据处理的结果表明构建的增强型光压模型对北斗GEO卫星定轨径向绝对精度约10 cm。（4）比较了经典光压模型ECOM1和ECOM2对北斗二号卫星精密定轨的影响,并基于激光检核结果分析了利用上述两模型定轨的轨道径向误差特性。随后,通过对比经验型和分析型光压模型的北斗二号IGSO/MEO卫星定轨结果,指出卫星本体热辐射差异造成了个别卫星轨道中轨道角相关的系统性误差,并由此提出了一种卫星本体热辐射的补偿模型。首次基于实测数据标定了北斗二号IGSO/MEO卫星本体的热辐射补偿参数。该补偿模型有效消除了部分北斗卫星中存在的系统性误差,进而提高了北斗二号卫星,尤其是IGSO卫星的定轨精度。激光检核结果表明其径向轨道精度平均提高约20%。（5）对首颗可能采用全新姿控模式的北斗二号IGSO-6卫星姿态特性的研究,确认了其采用全新的连续动偏姿控模式,并基于实测数据估计并建立了其具体的模型表达式和模型触发阈值。随后的验证结果表明该模型完全适用于北斗三号CAST卫星（实际估计姿态角与模型计算值差异小于5度）。北斗三号CAST卫星的姿态模型能有效降低蚀卫星在轨道近日点和远日点的定轨残差,进而提高轨道和钟差的精度和可靠性,使北斗三号卫星光压精化和精密定轨成为可能。（6）针对两家卫星制造商提供的北斗三号MEO轨道中存在的随太阳方位角变化的系统性误差,利用先验的北斗三号卫星本体的属性信息和实测地面跟踪数据,通过基于傅立叶变换主频项提取、卫星本体光学参数校正和卫星本体长方体补偿等三种光压增强或补偿手段的方式,精化了北斗三号MEO卫星的光压模型。结果表明相比于无任何先验光压信息的ECOM1,上述三种方式均能有效消除太阳方位角相关的轨道误差,且使用增强或补偿光压模型后的精密定轨结果相当,基于十个月处理时长的轨道激光检核精度优于4cm。

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摘要

ABSTRACT

缩写索引

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 多模卫星导航系统发展历程

1.1.2 导航卫星精密定轨技术发展

1.1.3 北斗导航卫星精密轨道确定及问题

1.2 国内外研究现状

1.2.1 光压建模方法

1.2.2 卫星热辐射建模方法

1.2.3 当前存在的问题

1.3 本文研究目标及内容

1.3.1 本文研究目标

1.3.2 本文研究内容

1.4 本章小结

2 卫星受摄运动理论基础

2.1 引言

2.2 运动方程

2.3 非保守力摄动模型

2.3.1 太阳光压辐射

2.3.2 地球反照辐射压

2.3.3 热辐射模型

2.3.4 天线推力

2.4 定轨相关坐标系统

2.4.1 地心惯性系

2.4.2 地心地固系

2.4.3 星固系

2.4.4 轨道坐标系

2.5 本章小结

3 北斗导航卫星精密定轨及光压模型影响

3.1 引言

3.2 北斗导航卫星精密定轨及光压模型

3.2.1 光压模型

3.2.2 精密定轨策略

3.2.3 轨道精度评定方法

3.3 光压模型对北斗导航卫星精密定轨影响

3.3.1 北斗GEO卫星

3.3.2 北斗二号IGSO/MEO卫星

3.3.3 北斗三号MEO卫星

3.4 本章小结

4 北斗高精度光压模型建模方法

4.1 引言

4.2 北斗导航卫星基本参数和偏航姿态

4.2.1 北斗卫星基本参数

4.2.2 北斗卫星偏航姿态

4.3 北斗高精度光压模型建模理论

4.4 本章小结

5 北斗二号异构星座卫星光压模型构建与精化

5.1 引言

5.2 北斗二号GEO卫星先验光压模型构建与验证

5.2.1 改进的可校正Box-wing模型

5.2.2 GEO卫星光压建模

5.2.3 模型验证

5.3 北斗二号IGSO/MEO卫星热辐射模型构建

5.3.1 模型构建

5.3.2 模型验证

5.4 本章小结

6 北斗三号卫星姿态及光压模型精化与验证

6.1 引言

6.2 北斗三号卫星姿态模型构建

6.2.1 偏航姿态机动

6.2.2 偏航姿态模型

6.2.3 深地影期的姿态机动

6.3 北斗三号卫星光压模型精化

6.3.1 基于可校正box-wing模型重构的先验光压模型

6.3.2 基于卫星本体光学参数在轨标定技术的box-wing模型构建

6.3.3 基于DLR模型的先验光压模型构建

6.4 模型验证及分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要研究成果及结论

7.2 后续研究及展望

参考文献

攻博期间发表论文参与项目及获奖情况

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王晨

导师: 刘经南,赵齐乐,郭靖

关键词: 精密定轨,北斗,光压模型,偏航姿态

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 武汉大学

分类号: P228.4

DOI: 10.27379/d.cnki.gwhdu.2019.000080

总页数: 134

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