题目：星载GPS低轨卫星实时自主定轨研究

与传统的地基卫星跟踪系统不同，星载GPS可以为低轨卫星提供丰富的几何信息，以及相对经济、精确、连续和完整的跟踪。利用星载GPS确定低轨卫星的轨道已逐步成为低轨卫星轨道确定的一种主要手段。目前，星载GPS定轨的研究虽然已经取得了一定的成果，但是国内外的研究大部分集中在事后精密定轨方面，实时自主定轨的研究还不多见，一些定轨算法由于其运行时间限制不能满足实时性的要求，所以，对于定轨的实时性算法还需进一步研究与改进。我国在星载GPS实时自主方面的研究起步较晚，关于这方面的研究还远远不够，实现低轨卫星实时自主定轨是面向我国航天发展的实际提出的挑战性新课题。本文对星载GPS低轨卫星实时自主定轨的理论、算法和数据仿真等有关问题进行了深入研究。系统地研究了时间系统、坐标系统以及卫星运动方程中摄动力模型，分析了影响星载GPS卫星定轨精度的主要误差源，探讨了观测数据的建模，分别从几何定轨和卡尔曼滤波定轨两个方面实现了星载GPS低轨卫星的定轨，提出了基于EKF的改进算法，以及改进的自适应EKF滤波算法，在现有非线性滤波算法的基础上，提出了一种新的自适应UKF卡尔曼滤波算法。本文的主要研究内容包括：1. 分析了低轨卫星上GPS接收机误差源及其改正措施；仿真了额定的24颗GPS卫星星座和太阳同步轨道的低轨用户卫星轨道；分别实现了基于伪距/伪距率的纯二体运动下和 摄动下的低轨卫星的马尔可夫估计定轨方案，由此方法得到的定轨结果可以为卡尔曼滤波定轨提供初始轨道参数。2. 研究了非平稳时间序列分析在GPS伪距建模中的应用。提出了利用ARIMA模型进行GPS伪距建模的方法，并通过对实测数据的应用分析，证明了该方法在短时分析中取得了很好的仿真精度。3. 研究了星载GPS接收机的选星问题。在自适应广义卡尔曼滤波算法中，为了保持观测误差协方差阵维数的一致性，本文采用了一种新型快速选星算法。实验结果表明，此算法计算精度与传统选星算法相当，而计算速度却比传统算法快很多，完全能够满足实时定位解算的要求。4. 提出了改进的EKF算法和改进的自适应鲁棒EKF算法。针对参数选取不当时，可能造成滤波误差增大，甚至导致滤波发散的问题，分别提出了改进EKF算法和改进的非线性自适应鲁棒EKF算法。改进EKF算法在先验统计参数取常值时，采用改变线性化方法，并引入干扰误差方程，提高滤波算法的鲁棒性，但是滤波精度会略微降低。改进的非线性自适应鲁棒EKF算法实现了系统状态与系统参数的联合估计，并且在线计算过程简单，与卫星自主系统星上数据处理的实时性要求一致。最后通过在Champ卫星定轨中的仿真应用，验证了以上两种算法的可行性与抑制滤波发散的有效性。5. 提出了一种新的自适应Unscented Kalman滤波算法。针对UKF在应用中的不足，深入研究了基于平方根的UKF滤波方法，此方法可以减少计算量，提高计算效率，使滤波算法具有更好的数值稳定性。同时，基于非线性滤波理论和自适应估计方法，提出了一种新的自适应UKF算法，该方法采用非线性滤波避免模型线性化的影响，提高了估值的精度，另外，利用双因子方差膨胀模型自适应地调节观测噪声协方差阵，针对观测异常对定轨的影响进行控制，同时通过自适应因子的实时调节来控制一步预测协方差阵，从而降低状态异常对定轨的影响。通过对 摄动Champ卫星的定轨计算和比较，验证了新方法的可行性和有效性。