基于多模型结构特征分析的多星高精度联合定轨技术

现代卫星网的精密轨道是决定其在侦察、遥感、导航等领域应用功能的首要因素，直接影响有效载荷设计和应用性能指标。本课题以基于北斗二代导航定位系统的天基测控系统为背景，针对天基测控卫星星座和近地卫星网的多星联合定轨问题，以基于多模型结构特征分析的多星联合定轨为技术主线，以轨道动力学模型的稀疏参数建模和联合观测模型的非线性半参数建模为突破口，研究：基于轨道摄动偏差的稀疏参数表示和轨道摄动残差的时间序列分析相结合的卫星网轨道动力学模型高精度表示方法，对动力学模型进行改进；基于测量系统误差参数化建模和测量模型误差非参数分量表示的非线性半参数联合观测模型建模方法，对观测模型进行完善；基于多模型结构特征分析的多星联合定轨最优加权方法，对估计方法进行优化，从而获得稳定可靠的多结构非线性联合定轨模型和高精度联合定轨结果，为近地卫星网的精密轨道确定和工程应用提供理论和技术储备。

以卫星轨道动力学模型的高精度表示、多源观测模型的精确化建模和多源测量数据的多结构非线性模型参数估计算法的设计为基础的多星联合定轨技术，是实现天地基综合信息网中多星联合定轨需要突破的关键技术之一，本课题以基于天基测控卫星星座和近地卫星星座的多星联合定轨系统作为研究背景，以卫星轨道动力学信息稀疏参数建模、多源测量误差信息非线性半参数建模和多源测量数据多结构非线性参数估计算法设计为突破口，以提高多星联合定轨数据处理精度为目标，较为系统地研究了多星联合定轨的多结构非线性模型参数估计的理论、模型与方法，其研究成果可以直接应用于多星联合定轨的系统分析和数据处理中。本课题主要研究内容如下：. 1)多星联合定轨系统的需求分析及定轨原理建模。通过多星联合定轨系统功能需求和精度需求分析，明确了实现近地卫星天基测控的基本原理，构建了多星联合定轨通用多源数据融合处理流程，建立了基于天基测控卫星星座和近地卫星星座的多星联合定轨系统总体模型，设计了多星联合定轨的通用融合处理算法。. 2)多星联合定轨动力学模型和观测模型建模及参数估计方法。针对多星联合定轨卫星轨道动力学模型建模误差的存在，提出了一种物理模型和稀疏参数模型相结合的卫星轨道动力学模型高精度表示方法，这是对物理参数模型建模误差的有效补偿和改进；针对多星联合定轨数据处理中测量模型误差的影响，建立了基于多测元观测数据的联合定轨融合测量模型，提出了一种参数化建模和非参数分量表示相结合的非线性半参数联合定轨建模方法，建立了基于正则矩阵补偿和自然样条平滑的非线性半参数联合定轨模型迭代求解算法，能够同时估计参数化系统误差和非参数的测量模型误差，可以较好改善联合定轨精度。. 3)多星联合定轨多结构非线性模型参数估计应用技术。建立了基于加权因子的多结构非线性模型参数估计方法及实现算法，以基于天基测控卫星和近地卫星星座的多星联合定轨系统为背景，分别建立了异质观测数据的方差分量估计和模型结构分析相结合的综合加权算法、基于加权因子的多结构非线性联合定轨模型及其最优加权算法、基于轨道动力学模型稀疏参数建模和观测模型非线性半参数建模的多星一体化联合定轨应用模型及加权融合估计算法，三个层次的估计算法能够进一步抑制轨道动力学建模误差、测量模型误差对最终的多星联合定轨精度的影响，最终各类卫星联合定轨轨道参数估计精度得到了进一步的改善。