基于多频GNSS观测的编队星间相对定位样条表示模型

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252011V01．32No．4685—692ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)04—0685—08基于多频GNSS观测的编队星间相对定位样条表示模型姚静*，聂鹏程，易东云国防科学技术大学理学院，湖南长沙410073擅要：从编队卫星的高精度星间相对定位需求出发，基于未来全球导航卫星系统(GNSS)多频信号测量体制的发

2、展。综合利用观测数据与待估参数的几何关系以及待估参数随历元连续变化的约束。根据函数逼近理论，提出基于多频GNSS观测的编队星I'日J相对定位样条表示模型，给fH多频数据相对于双频数据、样条表示模型相对于传统逐点模型在改善星间相对位置解算精度方面的理论基础与仿真实例。在复杂误差仿真条件F，通过-二频观测数据与样条表示模型的结合，对星间相对位置的估计精度可达到毫米晕级。在整周模糊度都正确固定的情况下，利用i频数据比双频数据的精度提高了lO％以上，样条表示模型比逐点模型的精度提高了80％以上。关键词：卫星导航；全球定位系统；样条；建模；

3、位置测量中图分类号：V249文献标识码：A编队卫星是在空间轨道上以特定编队构形飞行的若干颗相对较近的卫星组成的卫星群，它们协同工作以完成共同的测绘侦察或地球科学等任务[1。2]。编队的星间相对位置确定对于整个系统有效完成任务至关重要，对于编队星载测高等任务，其精度要求甚至到达厘米量级[3。4]。由于星间相对位置的测量处于高动态空间环境，具有三维立体和快速时变等特性，使得获取高精度星间相对位置信息成为系统实现的难点之一。在目前诸多测量手段中，基于全球导航卫星系统(GNSS)的测量以其精度、可靠性等方面的优越性成为最具发展潜力的一种方

4、案[5-6]。一方面，就观测信息而言，目前国际上采用最多的相对定位方法是双频全球定位系统(GPS)测量，并且已在重力反演和气候实验卫星(GRACE)等编队卫星系统中得到成功应用。当前GNSS的发展趋势是采取三频甚至四频的信号体制，GPS现代化后将由现在的双频增加至3个频段，Galileo计划使用4个频段，中国未来的北斗卫星导航系统(COMPASS)也计划使用3个频段，因此研究基于三频或多频GNSS的编队卫星相对定位方法具有现实意义。但由于GNSS建设成熟度的原因，目前尚未有公开文献讨论该问题。另一方面，就表示模型而言，GPS定位最

5、常采用的是逐点模型，按照各个历元分别求解[7]。然而，事实上这种传统模型尚未利用空间状态随历元连续变化的信息。鉴于航天测量数据处理的需要，文献[8]较早研究并提出了非线性数据参数化信息融合方法的节省参数模型，提高了测量数据处理精度，文献[9]将其建模思想应用于编队卫星星间相对定位中，基于双频数据探讨了对空间状态连续变化规律的收稿日期：2010-07—06；退修日期：2010-08-20；录用日期：2010—09-21；网络出版时问：2010—11-1109：09网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111

6、929V．20101111．0909000htmID例：CNKI：11-1929／V．20101111．0909．000基金项目：国家自然科学基金(60902089)；航天支撑技术基金(2009．HT-GFKD-07)*通讯作者．Tel．：0731-84573260E-mail：jingyao@nudt．edu．∞}

7、焉謦武I蟪静。聂鹦程．易衷云．基f多颧GNSS缆溺的咎酞星阍相对定位棒条表示模型e∞．航空学报．2011，32(4)：685-692．YaoJing·／ViePengcheng·YiDongyun．Formation

8、inter-satelliterelativepositioningsplinerepresentationmodelbased017multi-frequencyGNSSobservation￡J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．201I．32(4)：585-692．航空学报Apr252011Vol32No．4利用。本文从星间相对位置随历元连续变化的规律出发，以GPS现代化后的t频观测为例，首先依据观测量构造单历元观测方程，而后在阐述传统的逐点模型的基础上，提出一种基于多频GNSS观测的

9、编队星间相对定位样条表示模型，并通过仿真分析_三频与双频数据在不同模型下的利用效果，给出几种模式下的精度对比，且从理论上给出精度差异的解释。1单历元GPS三频观测方程以GPS三频观测为例。基于GPS的编队相对定位的观测几何示意图如图1所示，图中NA