星座自主导航方法及其精度分析

论文摘要

随着北斗卫星导航系统的不断完善,从提高自主运行能力到解决局域监控网对卫星跟踪的局限性等实际问题出发,对实现星座自主导航提出了迫切需求。本文从卫星导航定位的误差源出发,分析了卫星星历误差对定位精度的影响。卫星星历的误差一方面来自于星座自主定轨,另一方面来自于坐标转换中的地球定向参数误差。针对这两个关键问题,本文重点研究了基于X射线脉冲星相对观测的星座自主定轨方法以及地球定向参数的预报方法。论文的主要研究内容包括:(1)介绍了卫星星座导航定位的基本理论及其精度分析。给出了本文涉及的时空基准,同时介绍了惯性系到地固系的坐标转换模型;介绍了伪距单点定位模型及其解算过程,通过仿真分析了卫星星历误差对定位精度的影响。(2)研究了基于X射线脉冲星相对观测的星座自主定轨方法。首先,介绍了星座自主定轨的原理及模型,将星间链路双向测距与脉冲星相对定位结合对星座卫星进行导航定轨;其次,基于卫星在轨观测波形利用信号互相关算法以及极大似然法,估计了脉冲信号到达两卫星的相对时延;最后,利用星座自主定轨算法进行了仿真计算,给出了卫星自主定轨结果。(3)研究了地球定向参数的预报方法。介绍了地球定向参数及其数据处理方法;介绍了用于预报的最小二乘法和时间序列分析模型,并阐述了模型求解过程;分别利用实测数据对两种算法进行了仿真,结果表明时间序列分析的预报精度明显优于最小二乘法;并基于轨道动力学模型以及坐标转换模型,分析了地球定向参数的预报误差对卫星星历的影响。(4)设计了卫星星座自主导航精度分析与评估软件。将系统划分为空间段与用户段两个模块,将两个模块划分为若干子模块,并通过流程设计确定每个模块所需实现的功能;利用软件进行联合仿真,分析了卫星星历误差对定位精度的影响,验证了星座自主导航的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的意义
• 1.2 星座自主导航研究现状
• 1.2.1 卫星导航系统与自主导航概述
• 1.2.2 星座自主导航国外研究进展
• 1.2.3 星座自主导航国内研究现状
• 1.3 脉冲星自主导航研究进展
• 1.3.1 X射线脉冲星自主导航研究状况
• 1.3.2 国外脉冲星导航研究进展
• 1.3.3 国内脉冲星导航研究进展
• 1.4 地球定向参数及其预报研究进展
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 卫星星座导航定位基本理论及精度分析
• 2.1 时间系统与坐标系统
• 2.1.1 时间系统
• 2.1.2 坐标系统
• 2.2 卫星导航定位模型及误差源分析
• 2.2.1 伪距单点定位模型的建立与解算
• 2.2.2 卫星导航定位误差源分析
• 2.3 卫星导航定位精度影响分析
• 2.3.1 地球定向参数误差对卫星星历的影响
• 2.3.2 卫星星历误差对定位精度的影响分析
• 2.4 小结
• 第三章 基于X射线脉冲星相对观测的星座自主定轨方法研究
• 3.1 星座自主定轨的原理及模型
• 3.1.1 轨道动力学模型
• 3.1.2 星间链路双向测距模型
• 3.1.3 滤波算法
• 3.2 基于脉冲星的相对定位原理及模型
• 3.2.1 脉冲星相对定位原理及观测方程
• 3.2.2 时间转换模型
• 3.2.3 脉冲信号在轨观测建模
• 3.3 相对时延估计
• 3.3.1 互相关算法
• 3.3.2 极大似然法
• 3.3.3 DTOA估计影响因素分析
• 3.4 DTOA估计精度对星座自主定轨影响分析
• 3.5 小结
• 第四章 地球定向参数预报方法研究
• 4.1 地球定向参数简介以及数据处理
• 4.2 基于最小二乘的EOPs预报方法
• 4.2.1 极移的最小二乘预报方法
• 4.2.2 世界时之差的最小二乘预报方法
• 4.3 基于时间序列分析的EOPs预报方法
• 4.3.1 时间序列模型
• 4.3.2 时间序列模型的识别及定阶
• 4.3.3 时间序列模型参数估计
• 4.4 EOPs预报与误差分析
• 4.4.1 基于最小二乘法的EOPs预报仿真
• 4.4.2 基于时间序列模型的EOPs预报仿真
• 4.5 EOPs预报精度对卫星星历的影响分析
• 4.5.1 EOPs的预报及其精度分析
• 4.5.2 EOPs预报精度对卫星星历的影响
• 4.6 小结
• 第五章 卫星星座自主导航精度分析与评估软件设计
• 5.1 软件总体设计
• 5.2 软件流程设计
• 5.2.1 星座自主导航模块流程设计
• 5.2.2 用户接收机模块流程设计
• 5.3 软件联合仿真验证
• 5.3.1 定位方案分析
• 5.3.2 定位精度分析
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作和结论
• 6.2 进一步研究的建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果