基于星间链路的分布式导航卫星自主定轨算法

为减少卫星导航系统对地面站的依赖，提高卫星导航系统运行可靠性，我国卫星导航系统拟采用星间链路自主定轨技术。本项目侧重于基于星间测距的分布式自主星历生成算法研究，以期解决工程建设的关键技术。研究星间双向测距数据历元归化方法，解决钟差与测距信息解耦问题；研究星间测距数据系统误差探测及修正算法，改善自主定轨结果的稳健性；采用自适应滤波方法动态估计动力学模型噪声，平衡轨道动力学模型精度与星载计算机处理能力有限之间的矛盾，解决导航星历的自主估计问题；分析自主定轨中影响星座整体旋转误差的因素，提出补偿动力学模型误差引起的星座整体旋转误差的方法；研究地球定向参数（EOP）长期预报方法，减小地球定向参数预报误差对星座整体旋转的影响。最终目标是提出一套完整的基于星间测距数据的导航卫星自主星历生成算法，研制相应的地面仿真原型软件，满足我国卫星导航系统工程建设的迫切需求。

我国全球卫星导航系统拟具备自主导航功能。“基于星间链路的分布式导航卫星自主定轨算法”是针对全球系统自主导航工程实现问题提出的课题。目的是解决基于星间测量自主定轨中涉及的数据预处理、自主空间基准维持、星载自主定轨算法设计等问题，为我国卫星导航系统技术发展提供理论支持。.项目主要结论包括：（1）为实现伪距观测量中测距信息和钟差信息的分离，需要对星间双向伪距数据进行预处理以解决接收时标归化和传播时延归化两问题。接收时标归化可采用多项式拟合法，归化精度与测量频度和卫星相对运动速度有关。对MEO与IGSO之间的链路，接收时标归化误差在厘米级，而对GEO与MEO链路，每个轨道周期内除了不超过10min的归化误差显著增大弧段外，其余弧段时标归化误差在厘米级。路径传播时延可采用几何法直接归化，利用导航星历参数计算的传播时延归化误差在厘米级。（2）Ka波段星间测距资料的主要测量误差包括天线相位中心改正、多路径、传播介质、相对论、设备时延以及热燥声等，相对论误差对卫星钟影响可达20ns，多径误差最大影响可达分米级，这两项必须依靠理论或实测数据分析建模修正；其余各项误差经过模型修正后对测量精度影响在厘米级。（3）从动力学定轨原理出发，采用坐标变换理论揭示了基于星间测距定轨中产生星座整体旋转问题的本质原因：星间测距观测量和主要摄动力对坐标旋转变换的不敏感性是造成空间旋转基准不确定的主要因素，提出了利用锚固站星地观测量确定空间旋转基准参数的方法；（4）基于短弧定轨原理和分区平差思想，给出了适合星载处理的分布式自主定轨算法；分析了动力学噪声对自主定轨结果的影响，研制了仿真处理软件，软件采用了处理实测数据的的动力学模型。仿真结果表明，星间链路数量大于6条，测量精度优于0.3m条件下，分布式处理算法能够获取URE优于3m的自主定轨结果。本项目的科学意义在于从理论上严格阐解了引起星座整体旋转的本质原因，并提出了相应的解决方案，为后续研究提供了基础。项目研制的仿真软件采用了尽可能完备的测量模型和动力学模型，其仿真结果对工程实现具有较强的支撑作用。