免费论文：导航卫星精密定轨技术研究

导航卫星精密定轨技术是导航卫星星座正常运营的关键技术之一。目前实现导航卫星精密定轨有两大基本的技术思路：基于地面测控网络的导航卫星精密定轨技术和基于星间相对测量的导航卫星自主导航技术。前者需要复杂庞大的地面系统支持，后者虽然可以脱离地面系统的支持，但是定轨精度受制于不可观测误差的累积，精度难以保证。本文试图从工程实现的角度研究基于地面信标的导航卫星精密定轨问题。通过对轨道摄动影响因素的分析，提出适用于星载计算的轨道预报器方案；通过对扩频测距技术的研究，提出了高动态条件下单向、被动模式的伪距测量方案；在对现代递推估计算法进行分析的基础上，结合本文导航卫星定轨系统的特点，提出了适用于星上实现的非线性差分滤波算法。具体来说，本论文的研究内容包括以下几个方面：（1）在研究经典递推估计算法和现代递推估计算法的基础上，对各种估计算法的估计精度进行分析，着重研究了UT变换的基本原理，采样策略以及精度。（2）设计了地面信标站上行发送信标信号，导航卫星接收信标信号进行单向、被动模式的伪距测量，星上实现定轨解算的导航卫星定轨系统。该定轨系统可以简化地面信标站的配置并且可以避免导航卫星自主导航技术中出现的定轨精度受制于不可观测误差累积效应影响的问题。针对导航卫星的轨道特点，研究了各种轨道摄动因素，从减小计算量的角度出发，着重研究了不同阶数的地球引力场模型对轨道预报器精度的影响，最终提出了星载轨道预报器的最低配置方案，该配置方案在计算量和预报精度之间做了很好的平衡。通过分析星载原子钟的物理特性，建立了星载原子钟的数学模型。（3）在对扩频测距技术进行分析的基础上，建立了单向、被动模式的伪距测量模型。通过对伪距测量模型中各种误差项的分析，提出了部分测量误差的修正方法。基于单一地面信标站，分析了其相对于导航卫星的可见性。针对高动态条件下的信号捕获问题，提出了一种基于FFT并行捕获和基于采样点移位搜索的捕获方法，该方法能够提高信号的捕获效率。（4）针对提高定轨精度的要求，结合本文导航卫星定轨系统的特点，提出了基于卫星轨道和钟差参数参考值的差分的非线性滤波估计算法，并推导了适用于基于地面信标的导航卫星定轨系统的差分EKF（DEKF）和差分UKF（DUKF）的状态方程和测量方程，给出了DEKF和DUKF的算法流程。这种差分的非线性滤波算法在保证定轨精度的同时能够减少定轨解算的计算量，为基于非线性滤波算法的星上定轨解算提供了一种可行方案。（5）针对DUKF近似非线性变换的精度问题和导航卫星定轨中测量数据有限的问题，提出了一种改进的DUKF（IDUKF）算法，IDUKF算法能够提高非线性变换的近似精度，并且能够提高测量数据对状态预报的修正精度以及测量数据的利用率。在总的测量数据没有增加的情况下，单次滤波中可以利用更多的测量数据进行测量修正。 最后，为验证本文设计的基于地面信标的导航卫星定轨系统的可行性以及精密定轨算法的正确性和有效性，设计了导航卫星精密定轨的仿真验证系统。结合地面信标的可见性分析，通过仿真验证了经典UKF算法并不适用于本文导航卫星精密定轨任务，相比较而言，差分的非线性滤波估计算法基本能够满足导航卫星精密定轨的要求，但当测量数据较少时，定轨精度略有下降。通过仿真验证了IDUKF算法能够有效地处理测量数据有限的问题，提高定轨精度。通过仿真分析，研究了不同精度的参考值对导航卫星定轨精度的影响，仿真结果表明，参考值精度对导航卫星的位置和时钟参数的估计影响不大，但是对非线性较强且可观测性较差的速度参数的估计有较大的影响，所以有必要将参考值控制在一定的精度范围内。

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