星载GNSS编队卫星自适应相对定轨理论与算法研究

Satellites formation flying is considered as the direction of small satellite application. The relative orbit determination is one of the key technology to realize satellites formation flying mission. Knowledge of these relative orbit in real-time is important for operational aspects. In addition, some of the scientific applications, such as the distributed synthetic aperture radar, require an accurate post-facto knowledge of relative orbit. The technology of GNSS based relative orbit determination for the formation flying satellites has been a key concern inside and abroad. The research will take two GRACE satellite observation as object, and emphasize particularly on the algorithms of adaptive relative orbit determination for formation flying satellites using GNSS. To improve the reliability of relative orbit , the method of systematic error identification and compensation will be researched, and the method of outlier detection and control will be researched. The method of relative force model optimization and noise compensation will be researched. The functional model and stochastic model of observation will be optimized. The mathematics model of adaptive relative orbit determination for formation flying satellites using GNSS will be established. The arithmetic of adaptive relative orbit determination for real-time and post-facto will be established based on adaptively robust filtering. The software will be developed, which can prove real-time relative orbit in the level of cm and post-facto relative orbit in the level of mm. The result of this reasearch can be used in satellite rendezvous and docking and the satellite photogrammetry based on formation flying.

卫星编队飞行被认为是未来小卫星应用模式的发展方向，其相对定轨技术是实现编队卫星功能的关键技术之一，实时的相对轨道信息是编队飞行控制所必需的，而一些科学应用，如分布式合成孔径雷达，则需要高精度的事后相对轨道信息。因此，星载GNSS编队卫星相对定轨技术成为国内外的研究热点。本项目以两颗GRACE卫星实测数据为对象，侧重于星载GNSS编队卫星自适应相对定轨算法研究。研究系统误差识别与补偿及异常误差探测与控制方法，改善相对定轨结果的稳健性；研究相对动力学模型优化方法和噪声补偿算法，优化观测函数模型及随机模型，建立适合星载GNSS编队卫星自适应相对定轨的数学模型；采用自适应抗差滤波，建立适合实时和事后相对定轨的自适应算法，并研制出相应的软件系统，实现厘米级的实时相对定轨和毫米级的事后相对定轨计算能力。本项目的研究结果可以应用于我国空间交会对接以及卫星摄影测量等编队卫星任务。

卫星编队飞行被认为是未来小卫星应用模式的发展方向，其相对定轨技术是实现编队卫星功能的关键技术之一，实时的相对轨道信息是编队飞行控制所必需的，而一些科学应用，如分布式合成孔径雷达，则需要高精度的事后相对轨道信息。本项目以两颗GRACE卫星实测数据为对象，侧重于星载GNSS编队卫星自适应相对定轨算法研究。.在实时相对定轨方面，课题组基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法，利用两颗GRACE卫星的实测数据计算表明：自适应相对定轨通过自适应因子，可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息;两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行实时自适应相对定轨，可以得到精度优于6cm的星间基线，实现了厘米级的实时相对定轨能力目标。.在事后相对定轨方面，课题组提出采用两颗卫星动力学数值积分之差作为相对状态参考值，采用辅星状态转移矩阵作为相对状态转移矩阵的方法，解决了没有高精度相对动力学模型的难题，利用两颗GRACE卫星的实测数据计算表明：采用KBR数据外部检核两颗GRACE卫星事后相对定轨计算得到的星间基线精度可以达到0.76mm，实现了毫米级的事后相对定轨能力目标。.厘米级的实时相对定轨技术可以为空间交会对接提供高精度的实时位置信息；毫米级的事后相对定轨技术可以为卫星摄影测量等编队卫星任务提供高精度的事后星间基线。