（航空宇航科学与技术专业论文）卫星导航系统主控站模拟测试与评估关键技术研究.pdf

闸防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 摘要 在卫星导航系统建设中，主控站地面运控系统担负着导航数据处理的重要工 作。为了保证地面运控系统数据处理的精度，需要建设一套对地面运控系统所产 生的导航信息精度进行检验的系统，这就是地面运控模拟测试与评估系统。本文 以此为背景，研究地面运控系统数据处理的原理和方法、导航信息生成算法，并 针对这些方法和算法，选取导航信息中对用户定位精度影响重大的关键参数，从 不同角度进行研究，提出对导航信息精度进行测试评估的方法。本文主要研究的 内容包括： 1 卫星广播星历精度测试方法和卫星轨道确定精度测试方法。首先研究了卫 星导航系统所涉及的坐标系统及其之间的转换方法、多种轨道类型的广播星历拟 合方法以及由广播星历计算卫星轨道的方法。然后在此基础上，提出广播星历精 度测试和轨道确定精度测试的方法； 2 卫星钟差及等效钟差精度测试方法。首先研究了卫星导航系统时间同步技 术、卫星钟差参数拟合方法和等效钟差拟合方法，然后针对这些方法，从另一个 角度提出了地面运控系统所发布的卫星钟差参数和卫星等效钟差参数的精度测试 方法； 3 电离层网格垂直延迟及模型参数精度测试方法。首先论述了电离层网格垂 直延迟和电离层模型参数的计算原理和方法，然后研究了穿刺点和网格点电离层 垂直延迟的求法，最后提出电离层延迟改正误差精度和电离层模型参数误差精度 测试方法； 4 完好性测试方法。首先分析研究了完好性参数r u r a 、u d r e 和g i v e 的 需求和算法，然后研究完好性的评估方法，以另一种思想和方法评估完好性。 论文所研究的各种测试评估方法，不但在我国新一代卫星导航系统研制过程 中得到验证，而且在工程建设中已得到应用。测试评估方法能够准确地测试地面 运控系统所发播的导航信息的精度，具有一定的理论意义和工程应用价值。 主题词：卫星导航测试评估广播星历时间同步电离层延迟完好性 第1 页 嗣防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h ec o n s t r u c t i o no fs a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m ，g r o 岫do p e r a t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo f m a s t e rc o n t r o ls t a t i o np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei np r o c e s s i n gn a v i g a t i o nd a t a as y s t e mw h i c hi s c a l l e ds i m u l a t i o nt e s ta n de v a l u a t i o ni sn e e d e dt ob eb u i l tt o t e s tt h ep r e c i s i o no ft h ed a t a p r o c e s s e db yg r o u n do p e r a t i o n a lc o n t r o ls y s t e m o nt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e do n t h er a t i o n a l ea n dm e t h o do fd a t ap r o c e s s i n gb y ( h o u n do p e r a t i o n a lc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e n a v i g a t i o ni n f o r m a t i o ng e n e r a t i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h e s ea l g o r i t h m s ，t h ek e ye l e m e n t si nt h e n a v i g a t i o ni n f o r m a t i o n ，w h i c hh a v ea ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h eu s e r sp o s i t i o n i n gp r e c i s i o n ， a r es e l e c t e dt oi n v e s t i g a t e ，a n do nad i f f e r e n tp o i n to fv i e w ，t h ew a y sf o rt e s ta n de v a l u a t i o no f t h ep r e c i s i o nf o rn a v i g a t i o ni n f o r m a t i o nw e r ep u tf o r w a r d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r i n c l u d e ： 1 t h ep r e c i s i o nt e s ta l g o r i t h mo ft h es a t e l l i t eb r o a d c a s te p h e m e r i sa n do r b i td e t e r m i n a t i o n f i r s t l y ，t h ec o o r d i n a t es y s t e m sa n dt h e i rc o n v e r s i o n ，t h ea l g o r i t h mo fb r o a d c a s te p h e m e r i sf o r m u l t i f o r mo r b i t s ，a n dt h ec a l c u l a t i n gs a t e l l i t e sp o s i t i o na n dv e l o c i t y 谢t l lb r o a d c a s te p h e m e r i s a r er e s e a r c h e d a n dt h e n ，t h ep r e c i s i o nt e s tf o rt h eb r o a d c a s te p h e m e r i sa n do r b i td e t e r m i n a t i o n a r ep u tf o r w a r d ； 2 t h ep r e c i s i o nt e s ta l g o r i t h mo fs a t e l l i t ec l o c ke r r o ra n de q u i v a l e n ts a t e l l i t ec l o c ke r r o r f i r s t l y ，t h et e c h n o l o g yo ft i m es y n c h r o n i z a t i o n ，t h ea l g o r i t h mo fs a t e l l i t ec l o c ke r r o ra n d e q u i v a l e n ts a t e l l i t ec l o c ke r r o r sp a r a m e t e r sa r er e s e a r c h e d a n dt h e n ，谢t l lt h i st e c h n o l o g y ，t h e p r e c i s i o nt e s to ft h ec l o c ke r r o ra n de q u i v a l e n ts a t e l l i t ec l o c ke r r o ri s s u e db yg r o u n do p e r a t i o n a l c o n t r o ls y s t e ma r er e s e a r c h e do nt h eo t h e rp o i n to fv i e w 3 t h ep r e c i s i o nt e s ta l g o r i t h mo fi o n o s p h e r i cg r i dv e r t i c a ld e l a ya n di o n o s p h e r i cm o d e l p a r a m e t e r f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fi o n o s p h e r i cg r i dv e r t i c a ld e l a ya n di o n o s p h e r i c m o d e l sp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d a n dt h e nt h ea l g o r i t h mo ft h ei o n o s p h e r i cg r i dv e r t i c a ld e l a y a tt h ep u n c t u r ep o i n t sa n dg r i dp o i n t sa r er e s e a r c h e d f i n a l l y ，t h ep r e c i s i o nt e s to fe r r o r c o r r e c t i o no fi o n o s p h e r i cd e l a ya n di o n o s p h e r i cm o d e l sp a r a m e t e r sp r e c i s i o na r ep r e s e n t e d 4 t h ep r e c i s i o nt e s ta l g o r i t h mo fi n t e g r i t y f i r s t l y ，t h en e e da n da l g o r i t h mo fi n t e g r i t y p a r a m e t e r sr u r a ，u d r ea n dg i v ea r ea n a l y z e d t h e n ，t h ee v a l u a t i o no fi n t e g r i t yr u r a l ， u d r e ia n dg i v e ii sr e s e a r c h e dt ot e s tt h ei n t e g r i t yo nt h eo t h e rw a y t h ed i f f e r e n tw a y so ft e s ta n de v a l u a t i o nr e s e a r c h e do nt h i sp a p e ra r en o to n l yp r o v e di nt h e 第l l 页 嗣防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 c o n s t r u c t i o no fo u rn a t i o n sn e wg e n e r a t i o ns a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m ，b u ta l s ou s e di nt h e p r o je c t t h et e s ta n de v a l u a t i o nt e c h n o l o g yc a n t e s tt h ep r e c i s i o no ft h en a v i g a t i o ni n f o r m a t i o n b r o a d c a s t e dp e r f e c t l yb yg r o u n do p e r a t i o n a lc o n t r o ls y s t e m i th a sat h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e a n di sv a l u a b l ei nt h ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m ；t e s ta n de v a l u a t i o n ；b r o a d c a s te p h e m e r i s ； t i m es y n c h r o n i z a t i o n ；i o n o s p h e r i cd e l a y ；i n t e g r i t y 第1 i l 页 同防科学技术大学研究牛院硕十学位论文 图目录 图1 1 主控站模拟测试结构和数据流5 图2 1卫星轨道坐标系与卫星r t n 坐标系9 图2 2 春分点与岁差章动的关系1 1 图2 3地心坐标系之间转换瞳叫13 图3 1t w s t f t 图3 0 图3 2 利用非g e o 卫星进行双向多次时间比对3 3 图3 - 3 修正伪距同发送时刻关系3 4 图3 4 钟差误差仿真曲线3 6 图3 5 卫星共视法3 7 图3 6 卫星双向共视法3 8 图3 7 倒定位法。4 ，l 图3 8 卫星与监测站、监测站与主控站时间比对原理图啪3 4 3 图4 1某地区电离层网格垂直延迟精度测试5 6 图4 2 某地区由电离层参数计算的电离层垂直延迟改正精度5 8 图5 1g i v e i 精度测试6 7 图5 2 某卫星r u r a i 精度测试。6 9 图5 3 某卫星u d r e i 精度测试。7 1 第i i i 页 刚防科学技术大学研究! 卜院硕士学位论文 表目录 表2 1 广播星历参数1 4 表2 2 第l 号卫星轨道确定测试精度2 6 表2 3 第2 号卫星轨道确定测试精度2 7 表3 1 仿真轨道根数3 4 表3 2 拟合的钟差系数3 6 表3 3 仿真某卫星星地时间同步钟差数据l 4 6 表3 4 某仿真卫星星地时间同步钟差数据2 4 7 表3 5 仿真某i g s o 卫星等效钟差精度测试结果51 表5 1r u r a l 、u d r e i 与伪距误差对应关系表6 1 表5 2g i v e i 与垂直电离层延迟误差g i v e 对应关系表6 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：卫星昱航丕统圭整韭搓拯测达生迁垡差丝垫盔盟壅 学位论文储馘盘吣 吼励年月母 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 日期：砒g 年i i 其z 7 b 日期潮富年fm 彳日 国防科学技术大学研究，卜院硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 自从上世纪5 0 年代第一颗人造地球卫星上天以来，卫星导航系统就开始被广 泛的研究和应用。由于其能够全天候、全天时地提供高精度的定位、定速和授时 服务，卫星导航系统在军事、交通、航空、地质、测绘等众多领域都得到了重要 应用，对军事、经济、政治乃至社会进步都产生了广泛而深远的影响。卫星导航 系统的应用对世界各国未来的发展有着战略级的影响作用，世界强国都在努力开 发和完善各自的卫星导航系统。 美国和前苏联分别在1 9 世纪6 0 年代和7 0 年代建立了世界上的第一代卫星导 航系统n n s s 和c i c a d a 。第一代的导航系统实现了全球全天候导航，显示了卫 星导航系统的优越性。但是，由于一代系统“单星、低轨、低频测速”体制的限 制，不能满足高动态用户实时导航定位的要求，也不能满足现代军事和民用部门 的高精度要求n 1 。为了突破一代导航系统的局限性，美国自1 9 7 3 年开始着手研制 其新一代卫星导航系统n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m n a v s t a r g p s ，叫做“全球定位系统”。为了打破美国g p s 在卫星导 航定位领域的垄断，前苏联从1 9 8 2 年开始发射自己的g l o n a s s 全球导航系统卫 星，而欧洲在1 9 9 9 年提出了建立伽利略( g a l i l e o ) 卫星导航系统的计划，就连 日本也在1 9 9 5 年提出了卫星导航与卫星移动通信相结合的“钻石导航和通信系统” ( d i n a s s ) 计划，准备建立日本自己的卫星定位系统口1 。 我国于2 0 0 0 年1 0 月3 1 日、1 2 月2 1 日和2 0 0 3 年5 月2 5 日发射了3 颗导航 卫星，建立了“北斗卫星导航系统”口儿引。但是，由于该系统是一个有源的应答式 系统，它的用户不能自主定位，月不具备高动态武器的制导和卫星定位导航系统 的其它许多功能，系统容量有限，这些限制使其尚无法满足我军未来作战的需求。 因此，我国需要建设自己的第新一代卫星导航定位系统。 为了能够适应现代信息化战争要求，提高我军未来高技术条件下的作战能力， 一个重要的指标就是要求我国新一代导航系统要有足够高的导航定位精度，这也 就要求卫星导航系统的主控站地面运控处理数据系统的运算结果足够精确。在新 一代导航系统建设的过程中，为了及时验证地面运控系统的数据处理能力，就需 要建设一套系统来对地面运控系统产生的导航信息进行评价，这就是模拟测试与 评估系统。 第1 页 嗣防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 1 2导航卫星地面站模拟测试评估相关技术的国内外发展现状 g p s 从概念提出到系统完全建成，前后历时二十余年，期间对定位的基本概 念、基本原理、基本模式，系统算法、系统控制等都作了大量的工程计算与试验。 但由于g p s 概念提出是在上世纪七十年代，当时各种条件尤其是计算机技术极大 地限制了系统分析工作的开展，主要分析和验证工作均采用卫星在轨演示验证完 成，造成系统建设周期长达二十年。随着计算机技术的发展，当前国内外g p s 相 关的分析试验大部分已基于计算机技术完成。g a l i l e o 导航系统是欧洲航天局研 制的新一代卫星导航定位系统，在其工程总体工作中面临了多领域模型集成和分 析的困难。主要表现在不同组织采用不同语言、不同平台开发和建立了大量的、 不同的模型体系和支持工具，造成很多模型无法共享和重用，分析结果的前提和 条件不一致，难以支持工程总体工作的系统分析和测试。 鉴于航天工程总体仿真在模型集成和试验分析上的特殊需求，2 0 0 0 年欧洲航 天局主持制定了模型可移植性规范s m p 晦儿町，并发布了s m p l 0 版本，支持包括卫 星导航、火星探测、金星探测等一系列工程总体计算模型的集成工作，其主要特 点表现在随h 引： ( 1 ) 尽量减少模型与计算机环境的直接交互； ( 2 ) 模型接口标准化； ( 3 ) 模型接口简单化； ( 4 ) 他系统开发人员易于理解模型； ( 5 ) 保证模型的运行机制能够与模型定义相分离。 同时s m p 也提供了专业领域模型开发指南，包括开发建议、模型设计模式、 模型文档模板、数据文件交换标准和模型兼容性测试等，以确保领域模型开发和 集成的有效性。当前s m p 已经成功应用于欧洲航天技术中心( e u r o p e a ns p a c e r e s e a r c ha n dt e c h n o l o g yc e n t r e ，e s t e c ) 、欧洲空间运行中心( e u r o p e a ns p a c e o p e r a t i o nc e n t r e ，e s o c ) 和n a s a 的相关航天项目工程总体的仿真论证中，主 要包括欧洲航天技术中心的伽利略系统仿真辅助工具( g a l i l e os y s t e ms i m u l a t o r f a c i l i t y ，g s s f ) 、欧洲航天运行中心的金星探测和火星探测计划，支持航天系统 概念设计的协同仿真环境等工程总体论证项目哺引。2 0 0 0 年，欧洲航天局投资8 0 0 0 万欧元委托v e g a 公司在s m p l 0 版本的基础上开发了g a l i l e o 系统仿真辅助工 具g s s f ，支持g a l i l e o 系统工程总体的性能分析。作为系统开发建设的重要内 容，第一版已经完成开发并交付使用，目前处于软件第二版本的开发和模型确认 阶段。 2 0 0 4 年，s m p 2 0 1 借鉴了o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 的m d a ( m o d e l d r i v e na r c h i t e c t u r e ) 方法，抽象出了工程层次仿真模型的元数据信息，强调仿真 第2 页 同防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 中平台独立模型与仿真平台相关模型的概念，所有s m p 2 0 模型都采用公共的高层 抽象概念开发，这些概念涵盖了基本的模型描述和模型互操作模式，使得模型能 在抽象层次上描述，形成与平台无关的仿真模型。s m p 2 0 组件模型规范提供了基 本的模型框架及仿真运行框架，包括模型体系构成，仿真模型之间的互操作方式， 仿真模型与其它组件模型之间的访问机制，相关的仿真服务等。s m p 2 0 标准采用 基于x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 的仿真模型定义语言( s i m u l a t i o nm o d e l d e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 描述仿真模型的设计信息和装配信息。为此，可以在导航系 统仿真研究中借鉴s m p 2 0 的集成方法，支持卫星导航系统工程总体仿真应用的开 发与集成5 1 引。 现阶段国内关于卫星导航系统的研究正在生机勃勃地开展，2 0 0 3 年5 月2 4 日 我国第三颗导航卫星发射升空，初步建立了一个由2 颗卫星( 另有一颗为备份) 组成的卫星导航定位系统。2 0 0 7 年2 月3 日零时5 2 分，第四颗北斗导航试验卫星 的准确入轨，标志着我国开始逐步部署全球卫星导航系统n 训。国内很多学者对导 航系统的建立进行了各种分析和仿真方案和软件的设计和开发。张维刚等人设想 在北斗双星定位系统的基础上加上一颗地球同步卫星组成三星定位系统，并仿真 了三星定位系统与d n s ( d o p p l e rn a v i g a t i o ns y s t e m ) 构成的组合导航系统，结果 表明该组合不但能有效地提供定位精度，同时还能提供高精度的航向数据，。在 文献 1 2 】中邓方林提出了一种将我国已有的“北斗一号 、“长河二号”和军网等资 源进行优化组合，构成我国区域性自主三维导航定位系统的方案。仿真结果表明， 组合系统能满足大部分载体对导航的要求，实现功能提升的目标。为了满足对高 速运动的精确制导武器导航定位的需要，在文献 1 0 】中刘滨涛提出了一种在双星系 统的基础上再发射两颗大椭圆轨道卫星的星座改进方案，并进行了仿真研究，得 到了能获得更加精确的全天候导航定位精度的结论。针对北斗定位系统定位精度 较差的问题，在文献【1 3 1 郭陈江等人提出了用伪卫星技术解决原有系统的缺陷， 同时提高了定位精度。 卫星导航系统不仅在军事、民用导航和定位领域拥有巨大的市场，其开发和 建设也涉及了大量的高新尖技术。一个能够独立开发和运作全球卫星导航系统的 国家，将掌握对其社会各个领域产生巨大影响的各项关键技术的控制权。因此， 国内外有大量学者从事这方面的研究。在文献 1 4 】中柳景斌建立了g n s s ( g l o b a l n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 卫星导航星座仿真演示系统，分析了地面监测站对卫 星轨道钟差确定的影响及g n s s 星座对绝对定位精度的影响。在文献【1 5 】中m a r k b a k e r 发展了l m m s ( l o c k h e e dm a r t i nm i s s i o ns y s t e m s ) ，该系统可用于协助培训 g p s 用户，提高其在导航突发事件出现时迅速定位并解决问题的能力。在文献1 1 6 】 中g a r yl g r e e n 介绍了g p s 干扰和导航工具包仿真软件的发展情况。g i a n t 是一 第3 页 同防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 套载有o p s 导航系统的仿真半台，能够仿真在各种信号干扰的情况下的导航性能 和操控效率。该平台具备良好的人机界面和执行效率，今后在功能上也将朝面向 对象设计和h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 需求上拓展。在文献【1 7 】中f a l i nw h 等人采用日本q z s s ( q u a s i z e n i t hs a t e l l i t es y s t e m ) 系统对g p s 系统进行改进， 仿真结果表明该改进方案不仅提高了卫星的可见性，扩展了可定位的时间和区域， 还增强了系统的可靠性，拓宽了载波相位的容量。 卫星导航仿真作为卫星导航系统设计、配置、运行等全生命周期都需要使用 的实验手段，其应用必将从单个领域、单个学科、单个分系统，向全领域、全学 科、全系统发展。仿真系统与现有应用长期并存并完成系统总体功能验证与测试， 将是卫星导航系统的一大特征。例如在部分卫星部署之后，为测试整个系统运行 的功能，可采用仿真方法，应用仿真卫星对象来代替未发射的卫星，从而建立起 完整的导航系统，来检验信息传递、系统控制运作方案等。在文献【1 8 】中周甍设计 了基于h l a 的仿真系统，规划了卫星导航系统的仿真场景，提出了仿真系统框架， 进行了仿真试验，完成了体制演示和关键技术验证。在卫星自主导航研究方面， 在文献 1 9 】中j e a n j a c q u e s 等人仿真研究了卫星导航系统在城镇建筑高密度地区的 性能，得出结论认为，在城市中心区域性能改进比不上在城郊开阔区域性能改进 的效果。 但是我们也应该看到，目前大多数的数学仿真应用仅局限于分系统内部的设 计优化与设备测试。而导航系统由全部分系统组成，对于能够完成整个导航系统 功能演示和论证的仿真系统，特别是完成对地面运控系统数据处理的正确性和精 度测试方法的研究，国内还没有找到相关的文献。 1 3 卫星导航系统模拟测试评估系统的背景 1 3 1模拟测试评估系统的地位与作用 在卫星导航系统中，地面运控系统担负着数据处理的重要任务，对导航精度 起着关键性的影响。其工作一般流程为： 地面运控收到地面监测站的观测数据，进行数据处理，产生导航数据信息； 地面运控通过各地面站把导航信息发送给卫星； 卫星发播导航信息，用户接收并进行定位解算。 在此过程中，数据单向流动，数据的接收方只是单纯的接收数据并使用，无 法判定其前一步的数据源发送给自己的数据的精度。因此，需要简单闭环的数据 流系统对数据进行验证，这就是模拟测试与评估分系统。 第4 页 同防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 测试与评估分系统是模拟测试系统的重要组成部分。模拟测试系统由卫星导 航数学仿真分系统、数据管理和控制分系统和测试与评估分系统组成( 见图1 1 ) 。 数学仿真分系统负责仿真生成星座卫星理论轨道数据、监测站和星载原子时钟理 论参数、监测站基本观测数据、导航电文。数据管理和控制分系统完成卫星导航 数学仿真分系统、测试与评估分系统与主控站地面运控系统之间的数据交互。测 试与评估分系统完成测试和评估地面运控系统数据处理的正确性和精度测试，同 时负责给卫星导航数学仿真分系统发送配置指令和启动整个测试系统。卫星导航 数学仿真分系统和数据管理和控制分系统不是本文的研究范畴，本论文将主要研 究测试与评估分系统的测试方法。 既诞技攒令 测试与评估分系统 l i 理导航教学仿 持航i ! 轨邋确定辅艘测试 典分系统 j “搦h j ) j 糕 爻测试 熬测站接收秽e 接收的双频伪弱i i i j l 钟筹轴 f = 测试 番j 放波年lj 位珊沦数据 l j l ! 等谶钟力鞘应澜试 t 乜高b ：网格l 乜离j ，：雄虎延遨用 | 乜扇j ，：格嗍l 拜1 i 延迟鞴艘测试 论数攥 “高按模，拶参数辅度测试 p 艰轨道理沦数据( 篱螫惯性 究灯 ，。枇_ f ：c 测试 艿 “，铲l 啦f x k i 砧、 尔u 噱l l 伊1 垮憾， 1 j 鼹钟麓瑚论值 地咖站钟笼理沦值 豁测站气教数始理论缎 w 挝轨道确定饩 l l ；矗 | ! l ，j 参数 卫j 一钟露参数 电掰乞：延迟改i 税艰参数 髓测站接收执接收牧频伪辫j 和 l i 离联播燃信息参数 数波捌挝删沦数铤 系统援分究好性f 蠢崽参数 般渊妯最毛豫数妊理论使 监测站钟笼信息参数 l i 聚和时i n 同步站时0 u 同步数据 i ! j 等效钟兹 时矧捌步站之问f j h 删同步数挺 数据镎邢和控制分系统 上控站 地嘲运挖系统 图1 1 主控站模拟测试结构和数据流 地面运控与模拟测试评估系统之间的工作流程为： 模拟测试系统的数学仿真分系统具有仿真整个卫星导航定位系统及用户 的功能，产生理论卫星轨道和用户位置信息： 第5 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 数学仿真分系统将仿真的观测数据发送给地面运控系统； 地面运控系统收到数学仿真分系统发来的观测数据，对数据进行处理，产 生导航数据信息； 地面运控系统把导航信息发送给模拟测试系统的测试与评估分系统； 测试与评估分系统从数学仿真获取理论卫星轨道和用户位置数据信息，并 和解算的从地面运控系统发来的导航信息进行比对，评判地面运控的数据 处理精度。 1 3 2 测试与评估分系统的数据需求 测试与评估分系统基于卫星导航数学仿真分系统的理论数据测试主控站地面 运控系统数据处理的正确性和精度，所以需要卫星导航数学仿真分系统输出的理 论数据为： 监测站接收机接收的双频伪距和载波相位理论数据 电离层网格电离层垂直延迟理论数据 卫星轨道理论数据( 需要惯性系的位置和速度) 卫星钟差理论值 地面站钟差理论值 监测站气象数据理论值 卫星和时间同步站时间同步数据 时间同步站之间的时间同步数据 主控站地面运控系统数据处理需要测试的数据为： 卫星轨道确定值 卫星星历参数 卫星钟差参数 电离层延迟改正模型参数 电离层网格信息参数 系统差分完好性信息参数 监测站钟差信息参数 卫星等效钟差 卫星导航数学仿真分系统、数据管理和控制分系统和测试与评估分系统的组 成和它们之间的数据交互关系如图1 1 。 需要特别指出的是，卫星导航数学仿真分系统给出的卫星轨道理论数据，须 是惯性坐标系的，因为主控站地面运控系统是在惯性系确定卫星轨道的，卫星导 第6 页 同防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 航数学仿真分系统给出的卫星轨道理论数据就能直接测试主控地面运控系统卫星 轨道确定的正确性和精度。另一方面，主控地面运控系统是在监测站观测数据的 基础上进行卫星轨道确定的，主控地面运控系统需要由卫星轨道确定值向前预报 卫星轨道，再将在惯性系卫星预报的卫星轨道转换到地固系，最后由地固系的卫 星轨道拟合卫星广播星历参数，以便给用户导航定位及时提供比较准确的卫星位 置和速度。由此可看出卫星广播星历参数包含了轨道确定误差、轨道预报误差、 坐标转换误差和星历参数拟合误差，测试卫星广播星历参数的精度，也即综合测 试了轨道确定精度、轨道预报精度、坐标转换精度和星历参数拟合精度。在测试 过程中，测试与评估分系统需要将卫星轨道在惯性系的理论数据由坐标转换到地 固系中，进而测试由广播星历计算的卫星在地固系中的坐标的精度。这种由第三 方进行坐标转换来测试的方式能相互验证卫星导航数学仿真分系统和主控站地面 运控系统坐标转换的精度。 1 4 论文的主要研究内容 论文结合卫星导航定位系统的建设需要，抓住系统模拟测试与评估系统的技 术需求，研究地面导航数据处理技术，并针对不同的测试需求提出相应的测试算 法，研究测试评估的相关技术。 第一章主要说明测试评估系统的地位和功能，国内外对相关技术的研究现状， 提出所需要开展的工作。 第二章研究广播星历的精度测试。根据广播星历精度的影响因素，分别研究 坐标变换，精密定轨、广播星历拟合的方法，分析引起误差的主要因素，在此基 础上研究对广播星历拟合及定轨精度测试的方法。 第三章详细介绍了卫星导航系统时间同步的理论，分析了钟差对导航精度的 影响，提出卫星钟差精度测试的方法。 第四章主要研究电离层网格垂直延迟、电离层模型参数的计算原理和方法， 并提出电离层网格垂直延迟测试和电离层模型参数测试的计算方法。 第五章研究和分析完好性参数r u r a 、u d r e 和g i v e 的计算方法，并从不同角 度给出完好性参数指针g i v e i 、r u r a l 和u d r e i 的估计方法。 第六章是对研究工作的总结与展望。 第7 页 同防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 第二章广播星历精度测试方法研究 卫星导航定位系统的主要任务就是为用户提供精准的导航定位服务，其中要 给用户提供比较准确的卫星位置和速度。提供卫星位置和速度的方式有两种方式， 一是采用精密星历的形式，事后给用户提供，像6 p s 系统的i g s 星历可以在网上 下载；另一种方式是通过导航卫星发播广播星历，实时提供给用户，用户用广播 星历可以进行实时导航定位，广播星历精度略低于精密星历。而星历的精度直接 决定了用户导航定位的精度。主控站地面运控系统是在监测站观测数据的基础上 进行卫星轨道确定的，主控地面运控系统需要由卫星轨道确定值向前预报卫星轨 道，再将在惯性系卫星轨道预报转换到地固系，最后由地固系的卫星轨道拟合卫 星广播星历参数，所以本章主要研究广播星历精度的测试方法、轨道确定精度的 测试以及惯性系与地固系之间的转换关系。 2 1 坐标系的转换方法 在卫星导航定位中，坐标系统对于观测数据处理、卫星轨道精密确定和导航 定位是必不可少的。对卫星的跟踪观测、用户导航定位是在相对地球固定的地固 系中完成的，而卫星轨道确定和轨道外推是在相对惯性空间固定的惯性系中完成 的。卫星导航定位观测的高精度和卫星轨道确定的高精度对坐标系和精度提出了 很高的要求。对广播星历精度的测试同样需要高精度的坐标系转换关系。 2 1 1 坐标系定义 1 卫星坐标系 坐标原点为卫星质心。z 轴由卫星质心指向地心，y 轴指向轨道面的负法线向， x 轴在轨道面内与z 轴垂直指向卫星运动方向。 第8 页 同防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 心夕 x ，t 图2 1卫星轨道坐标系与卫星r t n 坐标系 2 卫星r t n 坐标系 坐标原点为卫星质心。r 轴为卫星相对于地心的径向，n 轴指向轨道面的正法 线向，t 轴在轨道面内与r 轴垂直，指向卫星运动方向。 3 地球固定坐标系 地球固定坐标系的定义为：原点0 在地球质心，基本面为地球的赤道面，基 本方向为x 轴指向格林尼治子午面与地球赤道面的交点e ，z 轴指向地极，右手坐 标系。该类坐标系固定在地球上，随地球一起自转。便于描述卫星的对地覆盖， 描述地球重力场。 由于地球极移的存在，地球极点相对于地球是变化的。i a g 和i u g g 根据1 9 0 0 年至1 9 0 5 年的极移给出了国际协议原点( c i o ) ，以及与之相对应的赤道为平赤道 或协议赤道。基于平赤道和c i o 所建立的右手地球坐标系称为协议地球坐标系 ( c t s ，c o n v e n t i o n a lt e r r e s t r i a ls y s t e m ) ，或地固坐标系。而以瞬时自转轴定义的坐 标系称为准地固坐标系。 通过协议原点与地球表面相切的平面为x - - y 平面，格林尼治子午线方向为x 轴正向，x 轴以西9 0 度子午线方向为y 轴正向。国际地球自转服务局( i e r s ) 的公 报目前提供每隔1 天一组极移x 。和y 。的值。 美国的w g s 8 4 坐标系、俄国的p z 9 0 坐标系、欧洲的g t r f 坐标系、我国的 地心1 号、地心2 号和c g s 2 0 0 0 乜门地心系都属于地固系。中国2 0 0 0 大地坐标系 ( c g s 2 0 0 0 ) 定义为：原点为地球质心；z 轴指向i e r s ( 国际地球自转服务) 参考 极( i l 冲) 方向；x 轴为i e r s 参考子午面( i r m ) 与赤道面( 通过原点且同z 轴正 第9 页 一防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 交) 的交线；y 轴与x 、z 轴构成右手直角坐标系心引。 4 地心赤道惯性坐标系陋1 地心赤道坐标系的原点在地心，基准面是赤道面，正x 轴指向春分点，z 轴指 向北极。此坐标系相对于恒星是不转动的( 除春分点的进动外) ，地球相对于该坐 标系旋转。历元平赤道地心系、瞬时平赤道地心系、瞬时真赤道地心系都是惯性 系，但后两者是随时间变化的，即每天都不一样，对于描述卫星的长久的运动不方 便。而历元平赤道地心系能方便地描述卫星运动。 历元平赤道地心系以历元平赤道为基本面( x o y 平面) ，x 轴指向该历元的平春 分点。目前历元地心赤道坐标系采用j 2 0 0 0 惯性坐标系，平春分点历元为2 0 0 0 年 1 月1 5 日。 5 大地坐标系 以大地参考椭球面为基准面定义：大地经度l 、大地纬度b 、大地高h 。 大地经度l ：通过观测站的大地子午面与本初子午面的夹角。 大地纬度b ：通过观测站的参考椭球面的法线与赤道面的夹角。 大地高h ：观测站沿法线到参考椭球面的距离。 2 1 2 坐标转换 1 旋转坐标系 若原坐标系中的任一矢量用，表示，在旋转后的新坐标系中以，表示，那么 弘平面、历平面和砂平面分别绕x 轴、y 轴和z 轴转动口( 逆时钟为i e ) ，则分别 为嘲： p = r x ( p ) ， r r = b ( 乡) ， ( 2 1 ) 【，= r ( 口) ， 其中： 第1 0 页 同防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 删，= 池三纠 c o s o0 一s i n p 髟( 臼，2 【s i 兰护三c 曼口j 明，= 吊引 ( 2 2 ) 2 从惯性系到地固系 当进行精确的坐标转换时，就需要考虑极移、岁差、章动( 见图2 2 ) 等各种 情况的影响，分别为下面四种坐标转换： 图2 2 春分点与岁差章动的关系 ( 1 ) 历元平赤道地心系与瞬时平赤道地心系 两坐标系的差别是岁差，它由三个赤道岁差a 、z a 、0a 参数表示，( p r ) 是 第1 l 页 同防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 岁差矩阵： ( p r ) = r z ( 一乙) r y ( 吼) b ( 一) 两坐标系转换关系为： 叶m 2 ( p r ) 亍 葡3 ( p r ) 亍 ( 2 3 ) 式中三个赤道岁差参数为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 4 。a = 2 3 0 6 2 1 8 1 t + 0 3 0 1 8 8 t 2 + o ”0 1 7 9 9 8 t 3 0 a - 2 0 0 4 310 9 t + 0 4 2 6 6 5 t 2 - + 0p p 0 4 18 3 3 t 3 ( 2 6 ) z a = 2 3 0 6 2 1 8 1 t + 1 0 9 4 6 8 t 2 + 0 ”0 11 8 2 0 3 t 3 式中t 是由( 2 7 ) 式从j 2 0 0 0 0 年开始计算的儒略世纪数 ，j e d - 2 4 5 1 5 4 5 0 = 一 3 6 5 2 5 其中j e d 为与协调时u t c 对应的儒略历书时。 ( 2 ) 瞬时平赤道地心系与瞬时真