平动点卫星与地球导航卫星联合自主定轨技术研究

摘要

平动点卫星特殊的动力学性质决定了它在深空探测中的重要意义，其中深空导航通信是平动点卫星的重点应用方向之一。平动点拟周期轨道的时空唯一性是仅利用星间测距实现自主定轨的理论依据。本文在五个平动点各选一颗拟周期轨道卫星组成了平动点导航卫星星座，推导了平动点卫星星座在圆型限制性三体问题模型和椭圆型限制性三体问题模型下的状态转移矩阵和观测矩阵，并以此为基础建立了基于星间距离观测的卫星星座自主定轨模型。在自主定轨数值仿真实验中采用了扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波算法，并比较了两种算法在三体问题模型这一强非线性系统中的表现。仿真实验结果表明平动点卫星仅利用星间测距自主定轨能保持定轨误差180天内不发散，即使在加入初值误差的情况下，x轴和y轴的误差依然能够收敛。
　　平动点卫星能够仅利用星间测距信息进行自主定轨是因为平动点卫星轨道包含了星座的绝对方位信息，因此理论上地球导航卫星可以利用对平动点卫星的距离观测量来解决其无法绝对定位的问题。本文以地月系统为研究对象，在系统质心旋转坐标系中描述了平动点卫星的运动以及平动点卫星和地球导航卫星之间的距离观测模型，而地球轨道卫星的运动更适合在地球赤道惯性坐标系中表述，因此给出了地心赤道惯性坐标系和质心旋转坐标系的转换方法，推导了平动点卫星和地球导航卫星之间的距离观测量对地球导航卫星轨道根数的偏导数，最后按照集中式数据处理方式拟定了平动点卫星和地球导航卫星联合定轨方案。数值仿真实验中采用12颗GPS卫星和5颗平动点卫星，仿真的首要目的是验证联合定轨方案的可行性。在联合定轨方案可行的前提上设计了对照实验来比较星间测向方案和联合定轨方案的优劣。
　　平动点卫星自主定轨研究结果表明，在平动点布置导航星座可以实现仅利用星间测距进行自主定轨，这对提高深空探测的安全性和自主性具有重要的意义。平动点卫星与地球导航卫星联合自主定轨的仿真结果证实了平动点卫星能够抑制地球导航卫星由于星座整体旋转引起的误差发散，联合定轨方案可以作为地球导航卫星自主定轨的备选方案，该方案对保证地球导航卫星的导航精度和系统稳定性有一定的意义。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1引言

1.2卫星自主定轨研究现状

1.3平动点及其临近空间轨道研究现状

1.4课题来源、研究背景及研究意义

1.5本文的主要工作及内容安排

第二章 平动点卫星与地球导航卫星联合定轨的理论基础

2.1时间系统

2.2坐标系统

2.3地球导航卫星动力学模型

2.4平动点卫星动力学模型

第三章 卫星星座自主定轨的算法模型

3.1星座自主定轨的基本原理

3.2星座自主定轨的观测模型

3.3卫星轨道估计优化算法

第四章 平动点卫星星座仅利用星间测距的自主定轨技术

4.1平动点卫星仅利用星间测距自主定轨的可行性

4.2 CRTBP模型下平动点拟周期轨道卫星的自主定轨仿真实验

4.3 ERTBP模型下平动点拟周期轨道卫星的自主定轨仿真实验

第五章 平动点卫星与地球导航卫星联合自主定轨

5.1平动点卫星与地球导航卫星联合自主定轨方案

5.2数值仿真实验

第六章 总结与展望

6.1课题总结

6.2后续工作与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文