混合导航星座广播星历参数稳健算法研究

Along with the development of the satellite navigation system,the ephemeris model is required to more high precision, to satisfy what the navigation system auto-running model needs in the future as well. Meanwhile, some unexpected problems have occurred when the GPS kepler ephemeris model is adopted by some current mixing navigation constellations which usually consist of different orbit type satellites including GEO, ISO, and MEO. For example, the bounds of some ehpemeris parameters become so uncertain that they can't be experssed correctly by the designed system interface some time, the normal equation matrix is too singular to gain robust solution, the so called "little e, little i" problems, especially for GEO, may causes the physics meaning loss of some parameters. Therefore，we will study the simplied secondary approaching technology to pick up necessary and pivotal ephermis paramters and determine their bounds, specialize in diagnose method to evaluate the multicollinearity of ephemeris parameters, improve the least squares processing algorithm with some parameters' normal constraint. On this basis, some strategis and algorithms will be proposed to equivalently solute strong correlation parameters, to deploy data more reasonablly for more reliable results, to solute the ill-posed equations robustly and efficiently. Further, we will establish the robust ephemeris fitting algorithm system and reliabel data employment strategy for the mixing navigation constellation.

为进一步提高卫星导航系统广播星历模型精度，满足未来系统自主运行对星历拟合技术的要求，解决混合星座卫星轨道小偏心率小倾角导致的部分星历参数物理意义缺失问题，星历参数拟合法方程奇异导致的参数取值范围不稳定、拟合精度次优等问题，基于轨道根数的星历模型参数在用于混合导航星座时出现的部分参数取值范围不固定不利于工程接口设计的问题，研究导航卫星轨道二次简化逼近参数提取与参数变幅估计技术、星历参数多种等效与近似融合转换技术、基于第一类、第二类无奇点根数的星历建模与参数拟合技术、星历参数复共线性诊断技术、部分参数带区间约束的最小二乘处理技术，提出参数等效解算策略与算法、轨道数据合理配置使用策略与算法、参数解算与病态控制策略与算法，形成混合星座广播星历参数拟合的稳健赋值算法体系和控制策略，科学解决星历参数稳健生成问题。

Kepler根数星历参数拟合算法在混合导航星座中还存在算法不够稳健、部分参数物理意义不明确、拟合精度有待进一步提高等问题。本项目采用复共线性分析技术对混合星座广播星历参数相关性与变化幅度进行分析，研究由于拟合数据使用不当、星历模型参数选择不当、星历参数解算方法不当等原因引起的法矩阵病态等问题，提出合理的数据配置与使用策略、星历和历书参数改进模型及拟合算法、星历参数稳健化求解算法；并针对工程中参数量程越界问题，提出改进策略。.kepler根数星历参数拟合算法对GEO轨道不适用的主要原因是小i问题，在星历参数拟合中引起 等参数大范围的强相关，造成拟合结果不稳定甚至不收敛。对于高轨卫星而言，J2,2项摄动引起的共振会引起△n取值较大变化，理论上可达1.49E10-8pi/s。GEO星历参数Crc、Crs超出GPS星历接口范围的主要原因是由于GEO卫星轨道特性决定的。.优化初值计算方法能提高参数拟合结果全局最优的概率；采用分析解理论值固定部分星历参数、调整拟合数据长度、采用动态加权的带参数约束条件的平差算法、参数岭估计方法能有效降低GEO星历拟合方程病态程度，解决部分参数拟合量程过大问题。.综合无奇点根数和坐标系旋转的18参数星历拟合算法，可以有效解决GEO卫星的小e和小i问题，拟合误差最大3cm。在55°旋转坐标系中△n参数量程较5°旋转坐标系的小一个数量级。基于第一类无奇点根数的广播星历拟合算法能够改善小e引起的拟合法方程病态问题。综合第二类无奇点根数和固定部分参数值的算法，可以实现非旋转坐标系的GEO星历稳健拟合；基于第二类无奇点根数进行历书拟合，设计倾角向量变率作为摄动参数，采用6个轨道根数和5个摄动参数，90天轨道的拟合位置精度和速度精度都较常规方法提高1个量级，可提高混合星座自主导航性能。.本项目研究成果在北斗卫星导航系统中得到了全面应用和效果验证。