BDS多星定轨卡尔曼滤波算法研究

摘要.............................................................................................................................................. I Abstract........................................................................................................................................ I II 第一章绪论.. (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 导航卫星精密定轨研究现状 (2)

1.2.1 国外卫星导航系统精密定轨研究现状 (2)

1.2.2 北斗卫星精密定轨研究现状 (3)

1.3 本文研究目的及主要研究内容 (3)

1.3.1 研究目的 (3)

1.3.2 研究内容 (3)

第二章导航卫星精密定轨理论基础 (5)

2.1 时空系统 (5)

2.1.1 时间系统 (5)

2.2.2 坐标系统 (6)

2.2 卫星运动方程及力学模型 (9)

2.2.1卫星运动方程 (9)

2.2.2 卫星力学模型 (10)

2.3 数值积分方法 (12)

2.3.1 Runge-Kutta法 (13)

2.3.2 Adams法 (14)

2.4 卫星观测模型及误差 (15)

2.4.1 观测方程 (15)

2.4.2 非差无电离层组合方程 (15)

2.4.3 误差改正 (16)

2.5 卫星精密定轨参数估计方法 (17)

2.5.1 批处理 (17)

2.5.2 序贯处理 (17)

2.6 轨道精度评定方法 (18)

2.6.1 内符合精度 (18)

2.6.2 外符合精度 (18)

2.7 本章小结 (19)

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3.1 卡尔曼滤波定轨 (20)

3.1.1 基本原理 (20)

3.1.2 观测方程线性化 (22)

3.1.3 参数初始值计算 (24)

3.2 双向卡尔曼滤波定轨 (25)

3.2.1 基本原理及算法流程 (25)

3.2.2 双向滤波实验分析 (26)

3.3 抗差双向卡尔曼滤波定轨 (29)

3.3.1 抗差双向卡尔曼滤波基本原理 (29)

3.3.2 权因子确定 (30)

3.3.3 实验分析 (30)

3.4 本章小结 (32)

第四章随机模型研究 (33)

4.1 几种常用随机模型 (33)

4.1.1 三角函数随机模型 (33)

4.1.2 指数函数随机模型 (34)

4.1.3 距离高度角定权 (34)

4.2 几种随机模型的对比 (34)

4.3 GEO/IGSO/MEO分类Helmert方差分量估计 (37)

4.3.1 基本原理 (37)

4.3.2 算例分析 (39)

4.4改进的Helmert方差分量估计法 (42)

4.4.1 改进方法 (42)

4.4.2 实验分析 (43)

4.5 本章小结 (45)

第五章卡尔曼滤波定轨稳定性分析 (46)

5.1 不同初始值对滤波定轨结果的影响 (46)

5.1.1 BDS卫星广播星历误差分析 (46)

5.1.2 选取不同初始值实验分析 (48)

5.2 随机线性系统的可控性与可测性 (50)

5.3 迭代双向卡尔曼滤波定轨 (51)

5.3.1 迭代滤波思想 (51)

5.3.2 实验分析 (52)

5.4 本章小结 (54)

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6.1 常用光压模型 (56)

6.1.1 球模型 (56)

6.1.2 SPHRC模型 (56)

6.1.3 BERNE模型 (57)

6.2 几种常用光压模型在BDS卫星中的精度比较 (57)

6.2.1 几何轨道平滑原理 (57)

6.2.2 常用光压模型在BDS卫星中的精度分析 (59)

6.3 改进光压模型 (60)

6.3.1 改进思想 (60)

6.3.2 实验分析 (61)

6.4不同类型卫星光压模型参数精化 (63)

6.4.1 GEO卫星光压模型参数精化 (63)

6.4.2 IGSO卫星光压模型参数精化 (64)

6.5 本章小结 (66)

第七章总结与展望 (67)

7.1 总结 (67)

7.2 不足之处 (68)

致谢 (69)

参考文献 (70)

作者简历 (74)

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第一章绪论

1.1 研究背景及意义

卫星导航定位是将卫星的瞬时位置作为测量已知点，根据接收机接收到的卫星测距信号按后方交会原理确定接收机的坐标。自美国GPS导航系统研制成功以后，卫星导航定位技术便相继应用到国防建设和国民经济建设的各个领域，极大地推动了国民经济发展和相关领域的技术进步。鉴于GPS导航系统带来巨大的经济效益和军事利益以及为摆脱对GPS 系统的依赖，一些国家或国家联盟开始纷纷建立属于自己的卫星导航系统。目前主要的卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo、中国的BDS以及日本的QZSS（准天顶卫星导航系统）和印度的IRNSS（区域卫星导航系统）等[1][2][3]。用户导航定位的精度受制于卫星轨道的精度，精密的卫星轨道坐标可以为导航定位提供高精度的空间基准，是衡量卫星导航服务系统性能的重要指标。

北斗卫星导航系统（BDS）是继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后的第三个全球卫星导航系统，是我国自主研制的第一个卫星导航与通信系统。目前我国已成功发射16颗北斗导航卫星，其中包括5颗地球静止轨道卫星（GEO）、5颗倾斜地球静止轨道卫星（IGSO）和6颗中轨卫星（MEO）。北斗导航系统已在亚太区域初步形成导航、定位和授时服务功能，并计划于2020年实现全球覆盖[4][5]。北斗导航系统自2012年12月27日正式在亚太区域提供服务以来，已在气象预报、交通运输、海洋渔业、森林防火、救震减灾等方面发挥了巨大作用。

与国外的卫星导航系统不同，我国卫星导航系统包含有GEO、IGSO和MEO三种不同类型的卫星。这种星座结构能够实现采用较少的星座达到较优的区域导航定位的功能。北斗卫星精密定轨的原理与其他卫星导航系统的基本相同，但又有自身的特点。不同类型卫星的轨道高度、观测弧段、几何结构各不相同，其定轨方法应该也有所区别。目前北斗卫星导航系统在轨卫星只有16颗，预计到2020年左右实现全球组网，受政治等客观条件的限制，北斗卫星地面跟踪站布设局限于国内，使得现阶段卫星观测数据较少，观测几何图形较弱。北斗卫星导航系统相对于其它导航系统增加了高轨卫星GEO和IGSO卫星，虽然GEO、IGSO卫星能够增加区域定位的图形结构，但GEO卫星对地运动缓慢，使得卫星钟差与卫星轨道也难以分离[6]。GEO卫星还存在东西、南北方向频繁机动的问题[7]；已成熟GPS光压模型也不一定适用于GEO、IGSO卫星；IGSO卫星存在动态偏航和零偏航两种模式，IGSO卫星在动偏、零偏转换前后，太阳光压发生改变，这些问题给北斗卫星精密定轨带来了巨大的挑战[8][9]。

由于北斗导航系统目前还处于系统建设发展阶段，受各种客观条件的制约，导航卫星轨道的精度与国际上成熟导航系统还有一定的差距。因此，不断提高北斗卫星轨道精度，

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