北斗导航卫星蚀状态处理理论与方法研究

Three kinds of satellites including GEO，IGSO and MEO are used in China's satellite navigation system 's constellation structure. This has presented new challenges to navigation satellite orbit determine technology. The project intends to carry out the processing theories and methods analysis for Beidou navigation satellite on eclipse state orbit determination. In China's satellite navigation system, gesture control strategy including "dynamic offset" and "zero offset" switches during navigation satellite frequently passes the earth eclipse through satellite control subsystems. By eclipse state gesture modeling, the influence of switch on satellite precise orbit determination and URE accuracy can be researched. Earth shadow modeling and the eclipse state judgment for the three different orbital altitude satellites will be respectively analyzed. And then the time and duration of satellite passes to shadow can be accurately predicted. For the piecewise continuous characteristics of the right function of satellite equations of motion, the orbit integration on critical area of the shadow and non-shadow junction segment will be researched. Practicality research of single step and multi-step integration methods on right function in piecewise continuous will be carried out. Using batch long arc afterwards orbit determination mode and adaptive kalman filtering real-time orbit determination mode, satellite dynamics model and orbit determination method will also be analyzed. And these will provide important technical support for the construction of China's satellite navigation system

我国卫星导航系统采用了GEO/IGSO/MEO三种卫星星座结构，对导航卫星的轨道确定技术提出了新的挑战。本项目拟针对我国卫星导航系统，开展卫星过地影阶段蚀状态处理理论与方法研究。通过对导航卫星蚀状态条件下姿态建模，分析我国导航系统卫星控制分系统频繁过地影期间"动态偏置"与"零偏置"控制策略切换对蚀状态下卫星精密定轨及URE精度的影响。分别针对三类不同轨道高度的卫星进行地影模型构建及在蚀状态判断，以期准确预报卫星过地影时刻及持续时间。针对卫星运动方程的右函数分段连续的特点，研究地影段和非地影段交界处临界区的轨道积分问题。开展单步法和多步法对分段连续右函数的实用研究。利用事后批处理长弧段定轨模式及基于自适应Kalman滤波的实时定轨模式进行卫星动力学模型性态分析及定轨方法研究，为我国卫星导航系统的建设提供重要的技术支撑。

项目研究目标是针对北斗三类卫星进行地影模型构建及在蚀状态判断；通过对导航卫星姿态建模，蚀状态测量和动力学性态分析，确定引起北斗卫星姿态控制模式切换期间定轨精度异常问题的主要原因；构建适合描述卫星蚀状态的测量和动力学模型，解决进出地影期间动力学性态不连续问题，研究动零转换期间精密定轨和预报策略；开展精密定轨实验，进行有效性验证。主要结论如下。.（1）对国内外卫星姿态控制策略进行了对比分析，构建了北斗卫星姿态模型。.（2）实现了姿态变化对测量模型影响分析。得出卫星天线相位中心、天线相位缠绕受姿态变化影响分别在厘米级和分米级。.（3）利用实测数据对北斗卫星光压摄动力进行了变化规律分析，指出蚀状态下光压摄动力未模型化误差达到10-8m/s2，且主要表现在法向。.（4）以box-wing模型为基础，从理论上揭示了姿态控制模式切换引起卫星本体及帆板受照规律变化，导致光压力难以准确建模的机制，阐明了定轨精度下降的机理。.（5）确定了变姿态模式下光压模型不适应是影响在蚀状态定轨精度的主要因素。.（6）获得了北斗三类卫星的蚀状态差异，分析了地影状态与轨道根数的关系。得出最长地影日存在偏离春秋分的现象，偏离的天数与卫星轨道倾角、升交点赤经密切相关等结论。.（7）提出了通过采用函数逼近方法，用高阶导数连续的光滑函数对右函数间断点进行局部拟合，实现了采用常规数值积分方法解决间断函数积分问题。.（8）提出了分段线性光压解算定轨策略，将卫星姿态切换期间定轨径向重叠弧段误差由百米级提高到分米级。.（9）提出卫星在蚀期间滑动窗口短期预报方法，保障了轨道确定与预报的无缝衔接。.项目科学意义在于：.在卫星姿态控制模式构建及机理分析方面，GPS等均采用动态偏置姿态控制模式。与QZSS系统类似，北斗GEO全弧段，IGSO/MEO偏航角小于限值时采用零偏置姿态控制模式。动/零模式切换是北斗遇到的新情况、新问题，所引入的卫星受照情况变化在国内外鲜有研究报道。项目分析了蚀状态问题的产生机制，为后续的研究提供了保障。.在卫星光压模型构建方面，GPS等在对星体结构建模的基础上，利用长期观测数据建立了高精度的光压模型。在北斗卫星光压模型构建不完善，直接采用已有模型存在蚀状态不适应情况下，项目提出的分段线性光压解算策略。可有效提高蚀状态轨道确定精度，为北斗高精度稳定运行提供了保障。