摘要
GRACE-FO(GravityRecoveryandClimateExperimentFollow-On)卫星是美国NASA和德国GFZ联合发射的重力编队卫星，用于接替GRACE卫星继续对地球重力场进行观测。GRACE-FO卫星搭载了双频GPS接收机和最新的激光测距系统(LRI)，用以探索和评估新的卫星跟踪卫星方法。GRACE-FO卫星的轨道精度对其重力场研究任务起重要作用。因此，有必要研究GRACE-FO卫星的高精度定轨方法和策略。为了实现GRACE-FO低轨卫星精密定轨，本文进行了如下工作： 1.以卡尔曼滤波和低轨卫星动力学理论为基础，针对GRACE-FO卫星提出了一种结合卡尔曼滤波和动力学平滑的单星定轨方案。推导了应用于低轨卫星几何定轨的离散性卡尔曼滤波公式，并给出了详细的低轨卫星观测方程线性化模型、观测系数阵、常数阵、先验方差阵和卡尔曼滤波几何定轨流程。为了消除或削弱几何定轨中不可避免的“突刺”现象，提出了一种动力学平滑方法，对卡尔曼滤波几何定轨结果进行二次处理。这种动力学平滑方法考虑到大部分卡尔曼滤波几何定轨结果较为稳定，以最小二乘理论为基础迭代剔除“突刺”部分的轨道结果，然后通过积分方法和动力学参数，重新生成不受轨道“突刺”影响的平滑轨道。实际观测数据计算证明：GRACE-FO-A卫星动力学平滑轨道整体定轨精度可达2.5cm；GRACE-FO-B卫星动力学平滑轨道整体定轨精度可达3.3cm；动力学平滑轨道精度高于卡尔曼滤波几何轨道，能较好的削弱几何轨道中的“突刺”现象。 2.为了评估和检验激光测距系统在GRACE-FO卫星跟踪卫星方面的应用，提出了针对LRI观测值的数据预处理方法以及结合卡尔曼滤波和GPS/LRI的编队卫星相对定轨方案。将LRI和星载GPS双差观测值联立构建观测方程，通过卡尔曼滤波解算得到GRACE-FO编队卫星星间基线。给出了GPS/LRI观测模型线性化公式和GPS/LRI相对定轨流程，并根据GRACE-FO-A和GRACE-FO-B卫星实际GPS/LRI观测数据进行了相对定轨实例验算。通过参考轨道检核和KBR检核两种手段来评估实际相对定轨精度。参考轨道检核结果表明：GRACE-FO相对定轨在X、Y和Z方向的轨道精度均优于1.8cm。相对于仅采用GPS的相对定轨，联合GPS/LRI在X、Y和Z方向相对定轨精度均提升约1cm,在3D方向精度提升了约2cm。KBR检核结果表明：星间基线解算整体精度约为6.3mm，相对定轨结果较为稳定。 3.用C++和Fortran开发了一套低轨卫星定轨软件。该软件具备伪距单星定轨、卡尔曼滤波几何定轨、动力学平滑轨道、编队卫星相对定轨、坐标系转换、时间系统转换、卫星姿态计算和LRI数据预处理等功能。
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