固定非差模糊度的重力卫星运动学精密定轨方法

Precise orbit determination is one of the key technologies in the new generation satellite gravity missions, the kinematic orbits, which are independent of the a priori dynamic model, are the most suitable ones for the Earth gravity filed determination. However, then accuracy of the kinematic orbits, which are sensitive to the observation noise and the observation geometry, are poor and there are some systematic errors. In order to improve the accuray and reliability of the kinematic orbits, this proposal will resolove the zero-difference ambiguity fixing technologies, and study: (1) Considering that the space-borne GPS data have more gross errors and cycle slips, we will try to detect and repaire the cycle slips using the raw carrier phase observations; (2) Considering that the continuous arc is very short and there are much more ambiguities in space-borne GPS data, in order to keep the accuracy and the reliability of the kinematic orbits, we will study the zero-difference ambiguity estimation, fixing and validiation method; (3) Study the orbit enhancement method to improve the orbits' precision in case of satellite number less than four. Finally, the kinematic orbits' precision will be improved by fixing the zero-difference ambiguities, and kinematic orbits with accuracy of 2 ~ 3 cm for CHAMP, GRACE and GOCE satellites will be determined, which will be useful for improving the gravity filed model's precision and accuracy.

卫星精密定轨是本世纪新一代卫星重力任务成功实施的核心技术之一，运动学轨道因不受先验力学模型影响，最适于地球重力场反演。然而，运动学轨道对观测噪声及观测条件非常敏感，轨道整体精度较差且局部存在系统性偏差。为了进一步提高运动学轨道精度及可靠性，本项目围绕非差模糊度固定的关键技术开展深入研究：（1）针对星载GPS数据粗差多、周跳多、受电离层影响大等特点，提出利用原始载波相位观测值探测并修复周跳的有效方法，提高非差模糊度固定成功率；（2）针对低轨卫星弧段短、模糊度多等特点，研究非差模糊度估计、固定及检验方法，确保运动学定轨的精度和可靠性；（3）研究非差精密定轨观测模型增强方法，提高观测卫星数目偏少时的轨道精度。最终实现固定非差模糊度的运动学定轨，并确定精度为2~3 cm的长弧段运动学轨道，为确定更高精度的地球重力场模型奠定基础并提供技术支撑。

运动学轨道可用于反演地球重力场模型，具有重要应用价值，本项目的核心目标是研究如何提高低轨卫星运动学定轨精度和可靠性的理论和方法。本项目围绕这一核心目标展开深入研究，经过3年的努力，取得了如下研究成果：针对低轨卫星数据中容易受到电离层影响的问题，课题组提出Hatch–Melbourne-Wübbena (HMW) 组合和改进的历元差分方法联合的周跳探测新方法，这种方法比传统的历元差分方法可以显著提升周跳探测时的ratio值，从而保证周跳探测和修复的正确性，相关成果已经投稿在了国际知名杂志《GPS Solutions》上；针对如何实现模糊度的快速固定，提高定位定轨的成功率和可靠性，课题组提出先将非差L1和L2模糊度映射为宽巷模糊度，采用LAMBDA方法将宽巷模糊度固定后，将其回代，然后再采用LAMBDA方法固定L1模糊度，此时由于宽巷模糊度的固定极大地削弱了电离层对模糊度的影响，因此L1模糊度固定的成功得以快速提高，相关成果发表在了《Earth，Planets and Space》上；针对低轨卫星运动学定轨效率偏低的问题，课题组提出了基于Kalman滤波的运动学定轨快速算法，该算法通过借鉴序贯最小二乘的思路，从而实现了基于Kalman滤波的低轨卫星轨道快速高精度的确定，实验结果表明，新方法三个坐标分量的运动学定轨精度分别优于3 cm，4 cm，3.5 cm，该精度与传统最小二乘法运动学定轨的精度相当，但是计算效率得到了大幅提升；整体上项目开发的软件定轨精度得到了进一步提高，其精度与国际知名机构水平相当。项目研究成果可为我国今后低轨卫星任务提供高精度轨道，具有很好的科学和应用价值。