具有几何约束和统计约束的北斗卫星星间链路定轨方法研究

The autonomous orbit determination technology based on inter-satellite link (ISL) is an important support for the autonomous operation ability of BeiDou navigation satellite system. This project focuses on the key issues of the ISL orbit determination method with a priori constraints, including the error compensation method of function model, the construction of constrained orbit determination function model, and the influence of different constraints on the results of orbit determination. Aiming at the error problem of ISL orbit determination function model, the error compensation scheme of observation model and dynamic model is studied. To solve the constellation rotation and drift, the functional model of ISL orbit determination with geometric constraints is constructed. To autonomous adjust the contribution of different observations on the final result, the adaptive adjustment of orbit parameters is studied and the function model with statistical constraints is constructed. With BDS-3 ISL measurements, the influence and contribution of different constraints on orbit determination accuracy is analyzed. Finally, a relatively complete set of inter-satellite link orbit determination methods is formed, which is expected to provide theoretical and software technical support for the ISL orbit determination method based on on-board processing.

基于星间链路的自主定轨技术是我国北斗卫星导航系统自主运行能力的重要支撑。本项目侧重对具有先验约束的星间链路定轨方法中函数模型误差补偿方法、约束定轨函数模型构建,约束条件对定轨结果的影响等关键问题展开研究。针对星间链路定轨函数模型误差问题，研究观测模型和动力学模型误差补偿方案；构建具有几何约束的星间链路定轨函数模型，解决星间链路定轨存在的星座旋转和漂移问题；研究自适应轨道参数估计方法并构建星间链路定轨统计约束模型，自主调整各类观测信息对定轨结果的贡献；基于北斗星间链路数据开展定轨试验，分析不同约束条件对定轨精度的影响和贡献，最终形成一套较为完整的星间链路定轨方法，为我国基于星上处理的星间链路定轨方法提供理论和软件技术支撑。

星间链路是支撑导航卫星系统自主运行的重要基础，是区域地面站网跟踪定轨的重要观测补充。北斗三号卫星导航系统实现了全星座星间链路，希望通过星间测距和信息传递，实现星座自主定轨和导航。已有研究表明，单纯利用星间链路观测数据定轨存在时空基准的不确定性，星座整体定轨结果存在旋转和漂移。因此，需要构建几何约束条件，使自主定轨的时空基准与地球基准相关联，确保星间链路定轨时空基准的稳定性。本项目在充分研究星间链路观测系统误差项和噪声特性的基础上，构建了基于地面观测信息的强几何约束条件和基于先验轨道信息的弱几何约束条件。在强几何约束下的星间链路定轨方面，分别给出了基于L波段地面跟踪站网和Ka波段锚固站的强几何约束条件下的星间链路定轨观测误差方程，构建了基于事后批处理算法的星间链路定轨统计约束条件。实测数据结果表明，以L波段区域地面跟踪站观测作为强几何约束条件，MEO卫星星间链路定轨重叠弧段精度径向精度约为4.1 cm，法向约为16.8 cm，切向约为10.7 cm，URE为4.8 cm，相较于区域地面站定轨模式下的轨道精度提升48%以上；与MGEX精密定轨结果相比，轨道径向差异约为5.3cm，切向差异19.1cm，法向差异15.4cm；总体来看，IGSO和GEO卫星的定轨精度相对略低。采用以上定轨结果模拟生成卫星星历并进行单点定位试验，全球范围内可以获得水平方向优于3 m，高程方向优于5 m的单点定位精度，且空间信号精度优于0.47 m。在弱几何约束定轨方面，给出了基于先验卫星位置和先验卫星轨道定向根数的弱几何约束星间链路定轨观测误差方程，构建了基于实时扩展Kalman滤波算法的统计约束条件，基于实测数据开展了先验弱约束部分轨道定向根数的星间链路定轨试验，综合考虑计算效率和定轨精度，给出了升交点赤经约束加轨道倾角约束的先验弱几何约束方案，各卫星轨道径向精度均优于0.6m，平均值为0.498m；切向精度均优于2.3m，平均值为1.818m；法向精度均优于2.2m，平均值为1.278。