基于星地链路和星间链路的导航卫星联合定轨关键算法研究

High precision orbit of navigation satellites is the foundation and ensurement for accurate postioning and applications based on navigation satellite system. Multi-satellite joint orbit determination using Inter-Satellite Links(ISL) and Satellite-Ground Links(SGL) is an important support for satellite precision orbit determination(POD) realization and navigation system safety performance improvement. In this project, some key technologies including constellation benchmark determination, ISL & SGL combined modeling(function model and stochastic model), and characteristic analysis of parameter estimation model will be broken through with achievement of POD for GEO/IGSO/MEO satellites. The research work contains four parts: 1)schematic design for Master Control Station(MCS) POD using ISL & GSL for global navigation constellation, 2)POD for MEO satellites based on a few regional stations, 3)POD for GEO/IGSO satellites based on MEO satellites, 4)development of ISL & GSL joint POD software. A set of POD algorithm and corresponding orbit determination software will be established with the accomplishment of this project. Research achievements can be applied into COMPASS POD project with aim to improve system's anti-risk capability, guarantee navigation performances, and promote the construction and application of COMPASS system, even the development of Chinese areospace and national defense enterprises.

高精度的导航卫星轨道是进行卫星精密定位与应用的基础和保证，基于星地链路和星间链路的多星联合定轨技术是实现卫星精密定轨、改进导航系统安全性能的重要保障。本课题拟突破导航星座基准确定、星地和星间链路数据联合建模（函数模型与随机模型）、轨道参数估计模型特性分析等关键技术，实现GEO/IGSO/MEO三类卫星的精密定轨。研究内容包括：①基于主控站星地、星间链路的全球导航星座精密定轨方案设计；②基于有限区域内稀少地面控制站的MEO卫星轨道确定；③基于MEO卫星的GEO/IGSO卫星精密定轨；④研制基于星地链路、星间链路的导航星座联合定轨软件。本课题将建立一套基于星地链路和星间链路的导航卫星联合定轨算法，开发相应的定轨软件，研究成果可用于我国北斗导航卫星精密定轨工程，增强卫星的抗风险能力，保障卫星导航系统导航性能需求，推动卫星导航系统建设与应用以及我国航天事业和国防建设的发展。

高精度的导航卫星轨道是进行卫星精密定位与应用的基础和保证，然而随着我国在轨卫星数量的急剧增加，地面测控网资源冲突日益加剧，大力发展天基测控，对传统的地基航天测控网进行补充，是解决测控资源冲突、提高多星同时测控能力、精确确定卫星轨道的有效途径。我国正在建设的北斗卫星导航系统采用GEO/IGSO/MEO混合星座进行导航定位。其中，GEO卫星定轨存在轨道机动频繁、与地面相对运动小和地面观测几何结构差等问题。IGSO卫星在国际卫星导航系统中属首次使用，MEO卫星存在全球建站的问题，基于星地链路和星间链路的多星联合定轨技术是实现卫星精密定轨、改进导航系统安全性能的重要保障。. 本项目的研究内容包括：基于主控站星地、星间链路的全球导航星座精密定轨方案设计、有限区域内稀少地面控制站的MEO卫星轨道确定、基于MEO卫星的GEO/IGSO卫星精密定轨以及导航星座联合定轨软件研制等。项目从几何上深入分析了MEO-MEO、GEO/IGSO-MEO星间链路的拓扑结构，给出了星间链路的距离及距离变化率、星间链路指向（包括方位角、俯仰角）及指向变化率等参数的变化范围和星座构型几何精度因子，提出了满足自主导航构型约束需求的卫星链路构建方案。针对各种地面站及星间链路布设方案，实现了情景数据仿真，分析了不同组合条件下的卫星定轨精度，设计了在地面控制站稀少、分布区域小等限制条件下，基于主控站星地、星间链路的全球导航星座精密定轨方案。采用地面站数据加入联合定轨，有效解决了星座自主导航中的秩亏问题，建立了单独利用星间链路或联合地面测站时导航卫星的定轨模型和算法，计算和分析了不同测控条件下和布站情况下的卫星定轨精度，研发了相应的定轨软件。. 项目研究成果对于掌握我国不同导航卫星在轨机动的特性，改进GEO卫星轨控和姿控的策略，降低轨道机动对系统导航性能的影响，提高有限区域内MEO卫星和GEO卫星的定轨精度，不断积累IGSO卫星定轨经验，以及适应卫星导航系统星座测控模式的发展需求、保障卫星导航系统导航性能需求和推动我国卫星导航系统建设与应用具有重要的理论意义和实践应用价值。