分米级星载GNSS在轨实时定轨模型与关键技术研究

This project focuses on theories, models and methods of spaceborne GNSS real-time orbit determination, to achieve decimeter-level 3D positional accuracy and velocity error of submillimeter per second level, with high precise carrier phase measurements. A new idea is presented for the first time that errors of GNSS broadcast ephemeris with slowly varying characteristics would be absorbed by the pseudo-ambiguity parameters with the stochastic model of pseudo-random pulse and random walk process under the reasonable constraints of high precise dynamic models. The key problems including optimization methods and restraint mechanisms of the on-board precise dynamic models, principles of the slowly varying error of GNSS broadcast orbits and clocks absorbed by the pseudo-ambiguity parameters and a more stable precise real-time orbit Kalman filtering algorithm for robust processing of carrier phase observation data will be solved. It will overcome the bottlenecks that constraint to improve the accuracy of spaceborne-GNSS real-time orbit determination and expand the current theory on it. With continuous implementation of "High-resolution Earth Observation System", one of National Science and Technology Major Projects, autonomous accurate navigation will be pressing to spacecrafts in low-Earth-orbiter (LEO). Our research group is absorbed in this area for many years and we have a better foundation to implement the next stage. An innovative achievement will be expected to improve the level of our national earth observation system for collecting dynamic changing informations of the geospatial environment.

本项目旨在利用高精度载波相位观测数据，研究分米级星载GNSS在轨实时定轨的理论、模型和方法。首次提出以"伪随机脉冲+随机游走过程"作为伪模糊度参数的随机过程，在高精度动力学模型的合理约束下，通过伪模糊度参数吸收GNSS广播星历中具有缓慢变化特性的误差分量，实现分米级在轨实时定轨精度的新思路。解决适用于星上处理的高精度动力学模型的优化方法与约束机制、研究伪模糊度参数吸收GNSS星历中缓变误差的机理、设计能稳健处理载波相位数据的实时精密定轨滤波算法等关键技术，攻克制约星载GNSS实时定轨精度提高的瓶颈问题，丰富和拓展我国星载GNSS实时定轨的理论与方法。 随着国家科技重大专项"高分辨率对地观测系统"的逐步实施，卫星平台对轨道精度和实时性提出了新的需求。课题组在前期研究基础上，通过深入的理论研究和技术攻关，有望获得创新性的研究成果，对提升我国对地观测系统的应用水平具有重要的科学意义和应用前景。

随着一些科学探测、遥感侦查等卫星任务特别是国家科技重大专项“高分辨率对地观测系统”的逐步实施，卫星平台对轨道精度和实时性提出了新的需求。本项目旨在利用高精度的星载GNSS载波相位观测值，研究分米级精度的在轨实时精密定轨的理论、模型和方法，解决适用于星上处理的高精度动力学模型优化方法与约束机制、研究伪模糊度参数吸收GNSS星历中缓变误差分量的机理、设计能稳健处理载波相位数据的实时精密定轨卡尔曼滤波算法等关键技术，攻克制约星载GNSS实时定轨精度提高的瓶颈问题，实现分米级定轨精度和亚毫米/秒测速精度的低轨卫星在轨实时定轨。.课题组围绕研究目标，开展深入的理论与方法研究，在以下几个方面有所突破：①提出了TurboEdit+VAREC周跳和粗差探测方法，适用于实时数据预处理。②首次提出了伪模糊度的概念，在函数模型中用伪模糊度代替传统的模糊度参数，同时用随机游走过程作为其随机模型，可以大幅吸收GNSS广播星历误差，将实时定轨精度提升到0.5m以内。③采用改进的GAAF方法计算地球非球形引力加速度，大幅提高在轨数据处理的效率，使研究成果进入工程应用具备可行性。④顾及多种可能引起滤波发散的因素，设计了高度稳定的实时定轨卡尔曼滤波算法，并在此基础上，研制了一套可适用于工程应用的星载GNSS实时精密定轨软件系统。总体来说，课题组较好地解决了分米级星载GNSS实时定轨的关键问题，完成了上述研究目标与内容。.通过本项目的研究，课题组提出了较为完整的分米级星载GNSS在轨实时精密定轨的理论与方法，研制了一套SATODS实时精密定轨软件系统。课题组已经和我国相关航天单位合作，实现了成果转化，并应用于天绘1号、创新5号和珞珈1号等卫星工程应用，产生了较大的经济效益。研究成果对提升我国高分辨率对地观测系统的应用水平具有重要的科学意义和应用前景。在国内外学术期刊和国内外学术会议上公开发表论文18篇，SCI收录4篇，EI收录6篇；培养博士生4名，硕士生12名。