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    BD-2末期衛星鐘性能分析與建模預報方法研究

    王威  
    【摘要】:北斗二號衛星導航系統(BD2)作為我國“三步走”戰略的關鍵一步,經過8年艱苦卓絕的建設,于2012年12月27日成功開通運行,為亞太地區的用戶提供區域導航、定位、授時服務。星載原子鐘作為衛星導航系統的關鍵設備,為衛星提供高精度的時間基準。隨著BD2平穩精準地運行了近十年時間,部分在軌衛星已達到或接近設計壽命。對進入壽命末期的衛星開展相應的研究,是一項具有理論意義和實用價值的研究課題,同時對于掌握BD2服務性能具有重要意義?;诖?本文著重研究BD2衛星壽命末期的星載原子鐘性能情況以及建立能夠適應末期原子鐘運行狀態的鐘差預報模型。論文的主要成果如下:1.提出了一種基于小波分析的鐘差數據預處理方法。該方法將原始鐘差數據利用事先選定的小波函數和分解層數進行分解,得到相應的低頻和高頻小波系數,再利用一定準則對其進行處理,最后重構得到處理過后的鐘差數據。本文著重分析了不同小波函數和不同分解層數對預處理效果的影響,選出了最為適合處理北斗衛星鐘差數據的小波組合。2.設計了一種較為綜合的鐘差數據質量評定方法。從數據連續性、內符合精度、外符合精度和數據周期特性四個方面對北斗衛星鐘差數據進行了質量評定。從結果上看,北斗衛星鐘差數據具有較高的精度,一小時跨度內精度優于0.1ns。同時,鐘差數據中存在顯著的周期特性,GEO和IGSO衛星的主周期為12小時和24小時,MEO衛星的主周期為6小時和12小時。其中C11衛星的周期項明顯異于其他衛星。3.使用三年的衛星鐘差數據對北斗二號在軌衛星的星載原子鐘長期性能進行了分析。從結果上看,BDS衛星原子鐘的頻率準確度整體上均在10~(-11)量級,頻率漂移率基本在10~(-13)/d量級,天穩定度基本在10~(-14)量級,但個別衛星出現性能波動的現象。結合在軌運行時間,初步判斷性能出現波動與衛星接近設計壽命有關。4.介紹利用一次差分數據進行鐘差預報的原理,對比幾種常用的鐘差預報模型使用一次差分數據和相位數據的預報精度。結果表明,使用一次差分數據能明顯提高各模型短期的鐘差預報精度。5.研究基于一次差分數據的BP神經網絡模型,通過構建適合衛星鐘差數據的BP神經網絡,提升衛星鐘差預報精度。經過實驗,在衛星出現性能波動期間,使用BP神經網絡能有效克服頻率變化帶來的影響。但該模型本身也存在較大的局限性。6.研究基于一次差分數據的LSTM神經網絡模型,構建適合衛星鐘差數據的LSTM神經網絡。經過對比實驗,結果表明在衛星出現性能波動期間,使用本文建立的LSTM神經網絡能較好地克服頻率變化帶來的影響,具有良好的鐘差預報精度。


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