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导航卫星自主定轨的方法研究
刘万科
1
，李征航
1
，丁文武
2
，龚晓颖
1
1 武汉大学测绘学院 ，湖北武汉（430079）
2 中国科学院测量与地球物理研究所，湖北武汉（430077）
Email:wkliu@sgg.whu.edu.cn
摘 要：针对仅利用星间测距观测值进行自主定轨时所遇到的秩亏性问题，采用了顾及先验
信息的最小二乘配置法同时处理所有卫星的轨道状态参数和钟差参数的统一解决方案， 110
天模拟数据的自主定轨结果表明采用此方法可成功地解决自主定轨中的秩亏性问题，有效地
控制和约束星座的旋转误差，实现导航星座的自主定轨，获得了与广播星历相当的定轨精度；
提出了在高精度自主定轨中顾及潮汐摄动的必要性，并指出了有待进一步研究解决的问题。
关键词：导航卫星；自主定轨；星间距离观测值；星座整体旋转；最小二乘配置
1. 前言
在传统的卫星导航定位系统中，地面控制系统是一个必不可少的组成部分，因为用户在
导航定位中所使用的卫星广播星历是由地面控制系统生成并注入卫星的。在战时地面控制系
统极有可能成为敌对方的摧毁目标。虽然目前导航卫星系统已能存储较长时间的预报星历，
但星历精度随着预报时间的增加将迅速下降
[1,2]
。这就意味着一旦地面控制系统被毁，整个
系统实际上仍将迅速崩溃。为此，在开始组建 GPS 时，美国就着手开始了导航卫星在轨自
主更新星历的理论研究和模拟分析了，称之为自主定轨（即利用导航卫星间进行相互观测和
数据通信能力，在卫星上进行轨道计算和预报，自主生成广播星历来保持整个系统的战时生
存能力），并 于 1990 年 6 月基本完成了理论研究、技术设计和数据模拟计算等工作，并在随
后的 Block IIR 型卫星上实现了自主定轨的功能。预计到 2011 年 Block IIA 卫星将退出使用，
届时整个 GPS 星座都将由具有自主定轨能力的卫星组成，从而进入全面自主定轨阶段
[1-3]
。
我国在建立自己的二代卫星导航系统时也会面临同样的问题，估计也会按大体相似的过程，
但以更快的速度来解决自主定轨的问题，为此有必要立即开展相关的研究工作。
在仅利用星间测距观测值的自主定轨中，将不可避免地遇到星座旋转的不可观测性问
题，并由此引起的秩亏性问题
[1,4]
。本文从解决这一关键性问题出发将主要讨论自主定轨的
方法及软件实现，在此基础上通过模拟计算对所提出的自主定轨方法进行验证和分析，以便
为后续的研究提供参考。限于篇幅，本文对自主定轨的基本观测方程以及动力学定轨的相关
内容等基本内容不予介绍，读者可参阅文献[1,2,5]。
2. 利用星间测距的自主定轨方法和软件实现
2.1 星座旋转的不可观测性
目前导航卫星的自主定轨一般都是利用星间距离观测值来进行的[1-5],这是因为：这种
工作方式与卫星导航系统的原工作方式一致，卫星上需增加的设备相对较少；更易实现全自
动化的星上数据处理；精度高。因此，GPS 也是采用这种方式来实现自主定轨的。但采用这
种工作方式实现导航卫星自身的自主定轨时会产生卫星星座整体旋转不可测的问题，或者说
方程式秩亏问题[1-6]。因为当整个卫星星座绕地球自转轴旋转
Δ
Ω
角后，并不会影响星间
本课题得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20050486040）的资助。
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