星载GPS辅助低轨卫星运动学定轨方法综述

第３５卷第１１期２０１０年１１月武汉大学学报·信息科学版ＧｅｏｍａｔｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．３５Ｎｏ．１１Ｎｏｖ．２０１０收稿日期：２０１０ ０９ １５。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（４０８７４００４）；国家９７３计划资助项目（２００６ＣＢ７０１３０１）。

文章编号：１６７１ ８８６０（２０１０）１１ １３４２ ０４文献标志码：Ａ低轨卫星星载犌犖犛犛精密定轨的精度检核方法周晓青１，２　胡志刚１　张新远３（１　武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路１２９号，４３００７９）（２　国家测绘局卫星测绘应用中心，北京市海淀区莲花池西路２８号，１００８３０）（３　中国船舶重工集团总公司第７０７研究所，天津市６３号信箱，３００１３１）摘　要：基于星载ＧＮＳＳ的低轨卫星精密定轨是目前大地测量领域的研究热点，也是解决我国对地观测卫星精密轨道确定最有效的手段。

讨论了目前低轨卫星星载ＧＮＳＳ精密定轨的精度评价方法，并通过对ＧＲＡＣＥ卫星的实测和仿真数据的处理和分析，讨论了这些方法在不同观测条件下的有效性与局限性。

关键词：星载ＧＮＳＳ；低轨卫星；精密定轨；精度评价中图法分类号：Ｐ２２８．４１ 目前，卫星轨道精度评价方法可分为以下两类：①内符合精度检验。

内符合精度指的是在进行卫星轨道精度评价时未使用到其他的独立观测数据或处理结果，而是依靠卫星定轨过程中获得的相关数据或结果来进行分析。

这些方法包括观测数据残差统计、轨道重叠部分偏差统计、轨道衔接点的坐标偏差以及不同数据处理策略与软件结果比较等［１ ３］。

②外符合精度检验。

利用未参与精密定轨系统的其他观测系统数据实施卫星轨道精度的检验，如ＳＬＲ数据等。

除ＳＬＲ数据外，根据不同低轨卫星的特点及其所具备的条件，还可以获得其他观测数据来进行轨道精度检验，如ＣＨＡＭＰ卫星上的加速度计、ＧＲＡＣＥ卫星的Ｋ波段观测值［４］以及ＤＯＲＩＳ系统［５］等。

低轨卫星定轨综述摘要：本文首先介绍了卫星轨道的分类标准，随后简述了星载GPS低轨卫星定位系统的体系结构以及星载GPS定轨研究进展。

最后重点分析了星载GPS低轨卫星的几种定轨方法关键词：低轨卫星定轨GPS接收机几何法运动法约化动力法卫星运行轨道的分类标准人造卫星的运行轨道按形状分类可以分为椭圆轨道和圆轨道：椭圆轨道：偏心率不等于0的卫星轨道，卫星在轨道上做非匀速运动，适合高纬度地区通信。

圆轨道：具有相对恒定的运动速度，可以提供较均匀的覆盖特性，适合均匀覆盖的卫星系统按倾角（卫星轨道平面与赤道平面的夹角，称为卫星轨道平面的倾角）赤道轨道。

i=0°，轨道面与赤道面重合；静止通信卫星就位于此轨道平面。

极地轨道。

i=90°，轨道面穿过地球南北极。

倾斜轨道。

轨道面倾斜于赤道。

根据卫星运动方向和地球自转方向的差别分为顺行倾斜轨道，0°< i<90°逆行倾斜轨道，90°< i<180°图1按高度分类根据卫星运行轨道距离地面的高度h，可分为低轨道(LEO)：500<h<2000km中轨道(MEO)：8000km<h<20000km静止/同步轨道(GEO)：h=35786km。

高轨道(HEO)：h>20000km，椭圆轨道，远地点可达40000km地球同步轨道是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道。

但其中有一种十分特殊的轨道，叫地球静止轨道。

这种轨道的倾角为零，在地球赤道上空35786千米。

地面上的人看来，在这条轨道上运行的卫星是静止不动的。

一般通信卫星，广播卫星，气象卫星选用这种轨道比较有利。

地球同步轨道有无数条，而地球静止轨道只有一条。

太阳同步轨道是轨道平面绕地球自转轴旋转的，方向与地球公转方向相同，旋转角速度等于地球公转的平均角速度（360度/年）的轨道，它距地球的高度不超过6000千米。

在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。

低轨定位方法
低轨定位方法是一种卫星定位技术，通过低地球轨道（LEO）卫星系统进行定位。

与传统的全球定位系统（GPS）等高轨卫星定位技术相比，低轨定位方法具有一些显著的优势和特点。

首先，低轨定位方法的定位精度更高。

由于低轨卫星距离地面更近，其信号传播路径更短，使得信号更强、更稳定，从而提高了定位精度。

此外，低轨卫星的轨道高度较低，其几何构型变化较快，这有助于加快高精度定位的收敛速度，进一步提高定位精度。

其次，低轨定位方法具有更快的收敛速度。

传统的GPS等高轨卫星定位技术需要较长时间才能估计和分离各类误差，进而固定载波相位模糊度、实现精密定位。

而低轨定位方法可以利用其轨道特性，加快高精度定位的收敛时间，达到快速定位的效果。

此外，低轨定位方法还可以应用于室内定位等场景。

由于低轨卫星信号具有较强的穿透能力，因此可以在室内等信号遮挡严重的环境下实现较为准确的定位。

这为智能城市、无人驾驶汽车等应用提供了更大的可能性。

低轨定位方法需要大量的卫星资源来实现全球覆盖。

因此，低轨卫星星座的建设和运营成本较高，同时还需要解决卫星之间的相互干扰等问题。

另外，由于低轨卫星的轨道高度较低，其运行速度较快，需要频繁的通信和数据处理能力来保持实时定位服务。

总的来说，低轨定位方法是一种具有高精度、快速收敛和室内定位等优势的卫星定位技术。

虽然其建设和运营成本较高，但在一
些特定应用场景下，如智能城市、无人驾驶汽车等，低轨定位方法可以发挥出更大的作用和价值。

随着技术的不断发展和成本的降低，低轨定位方法有望在未来得到更广泛的应用和推广。

重力场恢复中的基于星载GPS的低轨卫星简化动力学定轨方法
研究
重力场恢复中的基于星载GPS的低轨卫星简化动力学定轨方法研究
低轨重力卫星轨道的精确确定是获得精密地球重力场模型的前提,而精密重力场模型又是获得高精度定轨结果的保证.本文简述了利用卫星重力方法恢复地球重力场及简化动力学方法确定低轨卫星轨道的数学模型,并简单分析和比较现有的几种重力场模型.用CHAMP实测数据,结合现有的重力场模型,系统分析、研究了不同阶次、不同重力场模型对低轨卫星定轨精度的影响;研究了不同间隔的随机速度脉冲在简化动力学方法中对模型误差的吸收、调节作用.计算结果表明,在定轨中,选择合理阶数的、较精确的重力场模型及合理间隔的随机脉冲参数,不但可以提高计算效率,更能提高定轨精度.
作者：韩保民许厚泽 HAN Bao-min XU Hou-ze 作者单位：韩保民,HAN Bao-min(山东理工大学建筑工程学院,淄博255049;西安测绘研究所,西安710054)
许厚泽,XU Hou-ze(中国科学院测量与地球物理研究所,武汉430077)
刊名：地球物理学进展ISTIC PKU英文刊名：PROGRESS IN GEOPHYSICS 年，卷(期)：2007 22(1) 分类号：P631 关键词：重力场恢复低轨卫星定轨简化动力学方法重力场模型随机脉冲。

摘要在卫星导航系统的研究中，轨道的精密确定和预报是卫星导航系统正常运行的基础，轨道精度也是衡量卫星导航系统性能的一个重要指标，而利用导航星座进行低轨卫星精密定轨是目前应用领域最前沿的方向。

如何提高低轨卫星的轨道精度是目前卫星导航技术研究的一大重要课题。

本文首先研究了卫星精密定轨的基础理论，包括时间系统和坐标系统，然后阐述了星载GPS低轨卫星定轨的主要方法，接着分别从几何法定轨、动力法定轨以及卡尔曼滤波定轨三个方面进行算例分析，进而对比得出各种方法的优缺点。

关键词：星载GPS，低轨卫星，几何法定轨，动力法定轨，卡尔曼滤波ABSTRACTSatellite navigation system is based on precise orbit determination and prediction. The precision of its orbit is an important capacity index for satellite navigation system. To determine the precise orbits of low-orbit satellites is one of the hotspots in satellite geodesy studies nowadays. It is a key problem that how to improve the orbit precision of the low-orbit satellites in satellite navigation technology study.The thesis first researches the basic theories about precise orbit determination systematically, includ ing time systems and coordinate systems. Then, it investigates the main methods of the low-orbit satellites equipped GPS receivers on board. At last, the author analyze the orbit determination of low-orbit satellites from absolute determining, dynamic method determination and Kalman filtering, and then comparing the advantages and disadvantages of each method.Key words: on-board GPS, low-orbit satellites, absolute determining, dynamic method determination, Kalman filtering目录1绪论 (1)1.1 研究的目的与意义 (1)1.2 国内外的研究现状 (2)1.3 本文研究的主要内容 (5)2 时间系统和坐标系统 (7)2.1 时间系统 (7)2.2 时间系统之间的转换 (11)2.3 坐标系统 (12)2.4 坐标系统之间的转换 (17)3 星载GPS低轨卫星定轨主要方法 (19)3.1 星载GPS低轨卫星几何法定轨 (19)3.2 星载GPS低轨卫星动力学定轨 (23)3.3 星载GPS低轨卫星卡尔曼滤波定轨 (26)4 星载GPS低轨卫星定轨方法的比较分析 (29)4.1 几何法定轨应用算例分析 (29)4.2 动力法定轨应用算例分析 (31)4.3 卡尔曼滤波法应用算例分析 (34)5 总结与展望 (39)5.1本文主要工作 (39)5.2对未来的展望 (40)参考文献 (42)1绪论1.1 研究的目的与意义星载GPS实时定位(定轨)可以为各类中低轨卫星和载人航天器的有效载荷，特别是大型对地观测有效载荷，提供实时的轨道数据，不仅精度高，而且可以大大减轻地面测控网的负担。

星载GPS辅助低轨卫星运动学定轨方法综述张婷;王磊;杨小伟【摘要】The paper gives a brief description of the background, system compositions and methods of LEO determination based on space-based GPS. It emphasizes on the basic principle and methods of kinematic LEO orbit determination based on space-based GPS, including presenting advantages and shortcomings of kinematic orbit determination methods, and analyzing the features of orbit determination algorithms. It presents future prospect for kinematic orbit determination based on space-based GPS.% 本文简要介绍了星载 GPS 低轨卫星定轨的背景、系统组成和主要定轨方法。

重点论述了星载 GPS 低轨卫星运动学定轨的基本原理及方法，指出了各种运动学定轨方法的优点和不足。

分析了各种运动学定轨解算的特点，并对星载GPS 低轨卫星运动学定轨的发展方向进行了展望。

【期刊名称】《现代导航》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】5页(P98-102)【关键词】GPS;低轨卫星(LEO);运动学定轨;三差【作者】张婷;王磊;杨小伟【作者单位】北京卫星导航中心，北京 100094;北京卫星导航中心，北京 100094;解放军 61516 部队【正文语种】中文【中图分类】P228.4近年来 GPS系统在低轨卫星轨道确定得到了日益广泛的应用，到目前为止，已有上百颗低轨卫星采用了星载GPS测定轨道。

低轨卫星与GPS导航卫星联合定轨研究
匡翠林;刘经南;赵齐乐
【期刊名称】《大地测量与地球动力学》
【年(卷),期】2009(029)002
【摘要】研究利用地面及星载GPS数据同时确定低轨卫星(CHAMP、GRACE)与GPS导航卫星精密轨道的联合定轨方法.针对不同测站数量和分布,设计不同的轨道解算方案,并基于PANDA软件平台进行数值分析.计算结果表明,由于低轨卫星对空间观测几何结构的增强,联合定轨较"两步法"定轨在定轨精度方面有所提高.
【总页数】5页(P121-125)
【作者】匡翠林;刘经南;赵齐乐
【作者单位】中南大学测绘与国土信息工程系,长沙,410083;武汉大学卫星导航定位研究中心,武汉,430079;武汉大学卫星导航定位研究中心,武汉,430079
【正文语种】中文
【中图分类】P228.1
【相关文献】
1.低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析 [J], 冯来平;毛悦;宋小勇;孙碧娇
2.单中继星单低轨卫星的联合定轨精度分析 [J], 苏牡丹;郑勇;杜兰;丛佃伟
3.基于北斗导航卫星信号的低轨卫星自主定轨 [J], 李星秀;吴盘龙;姚翔;陈尚敏
4.基于星载GPS双频P码的低轨卫星综合定轨方法研究 [J], 朱秀英;韩保民
5.无准确初轨信息时星载GPS低轨卫星定轨方法研究 [J], 赵春梅;瞿锋
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低轨遥感卫星星载GPS精密快速定轨算法汪大宝;王中果;汤海涛;曹京【期刊名称】《中国空间科学技术》【年(卷),期】2014(000)002【摘要】对低轨遥感卫星的精密定轨在理论上和实践上均有较高的技术难度，传统的定轨算法难以兼顾定轨精度和低运算复杂度的要求。

为此，将交互式多模型算法（IMM）和多速率跟踪（MRT）技术引入卫星精密定轨技术研究，提出一种新定轨滤波算法。

以IMM算法为框架，通过建立多模型集，降低对复杂动力学模型的建模误差，并根据各模型的线性化程度，综合选配粒子滤波算法和卡尔曼滤波算法，提高了滤波精度；同时，根据MRT思想，将原始观测信息压缩映射至模式空间，在模式空间实现低速率滤波，以降低算法的运算量。

试验结果表明，算法较传统的卡尔曼滤波算法三轴定轨精度提高约47％，而运算速率较粒子滤波算法降低约40％；可见该算法在具有较低运算复杂度的基础上，具有较高的定轨精度，能够满足后续高分辨率遥感卫星对卫星定轨的要求。

【总页数】8页(P54-61)【作者】汪大宝;王中果;汤海涛;曹京【作者单位】北京空间飞行器总体设计部，北京100094;北京空间飞行器总体设计部，北京100094;北京空间飞行器总体设计部，北京100094;北京空间飞行器总体设计部，北京100094【正文语种】中文【相关文献】1.利用星载GPS数据进行海洋2A卫星快速精密定轨 [J], 郭南男;周旭华;吴斌2.星载GPS定轨中精密GPS卫星钟差的改正和应用 [J], 季善标;朱文耀3.用于遥感卫星的高精度实时星载GPS定轨 [J], LinHaas;王威4.资源三号01星及02星星载GPS天线PCO、PCV在轨估计及对精密定轨的影响 [J], 袁俊军;赵春梅;吴琼宝5.GPS星历对LEO星载GPS精密定轨精度的影响 [J], 彭冬菊;吴斌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于星载 GPS／BDS 的低轨卫星精密定轨赵春梅;张德成;何正斌;李谦【期刊名称】《导航定位学报》【年(卷),期】2015(000)003【摘要】本文针对基于星载 GPS 和 BDS 的低轨卫星联合定轨问题进行了研究。

以资源三号卫星为例，仿真了星载 GPS 和BDS 观测数据，基于非差动力学定轨原理和法方程叠加方法进行了单独定轨和联合定轨试验。

试验结果表明，在仅考虑观测噪声情况下，采用星载 GPS 和 BDS 数据解算得到的轨道位置精度分别为0．9 cm 和5．1 cm，联合定轨精度可以达到0．9 cm，精度与单独利用 GPS 数据解算的精度相当；当采用截止高度角方式人为减少参与解算的星载 GPS 数据量进行定轨解算时，定轨精度降低为3．9 cm，此时再进行联合定轨解算，在合理分配权值的情况下，定轨精度可以达到3．4 cm，精度有所提高。

【总页数】7页(P18-23,34)【作者】赵春梅;张德成;何正斌;李谦【作者单位】中国测绘科学研究院，北京 100830;国家测绘地理信息局第一大地测量队，陕西西安 710054;中国测绘科学研究院，北京 100830;中国测绘科学研究院，北京 100830【正文语种】中文【中图分类】P228【相关文献】1.星载GPS低轨卫星几何法精密定轨研究 [J], 胡国荣;欧吉坤2.基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨 [J], 郭向;张强;赵齐乐;郭靖3.基于星载GPS数据的Jason-3卫星简化动力学和运动学法精密定轨 [J], 郭恒洋;郭金运;杨洲铭;齐林虎;赵春梅4.星载BDS/GPS低轨卫星自主定轨精度分析 [J], 熊超;贾小林;朱俊;卢传芳5.均方根信息滤波和平滑及其在低轨卫星星载GPS精密定轨中的应用 [J], 赵齐乐;刘经南;葛茂荣;施闯因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。