面向非合作低轨卫星的自适应加权多站多普勒定轨方法

《Sensors》：Adaptive Weighting-Based Multi-Station Doppler Orbit Determination for Noncooperative LEO Satellites

　　

对于诸如Iridium NEXT之类的非合作低地球轨道（low Earth orbit, LEO）通信卫星用户，精确轨道信息通常不可获得，这使得公开可用的两行根数（two-line element, TLE）数据成为轨道状态的主要来源。然而，由TLE导出的轨道状态误差会降低多普勒定位性能。本文提出了一种自适应加权的多站多普勒定轨方法。该方法以TLE导出的状态作为轨道先验，构建了一个受轨道动力学约束的批处理最小二乘（batch least-squares, BLS）模型。先验权重由卫星仰角构建，并通过最小化估计卫星速度在地面站网络质心到卫星的视线（line of sight, LOS）方向上的投影不确定性，对多站、多历元多普勒测量进行自适应重新加权。采用带有对角缩放的Levenberg–Marquardt（LM）型阻尼机制来约束状态修正向量，以提高迭代稳定性。使用实测数据的实验表明，所估计的轨道状态在用户站产生的二维均方根误差（two-dimensional root-mean-square error, 2D RMSE）为41.30 m，比先验加权解低16.06%，比等权解低24.64%，比TLE导出的轨道低64.25%。这些结果表明，所提方法提高了所估计轨道状态在利用Iridium NEXT机会信号进行定位时的效用。

全球导航卫星系统（GNSS）信号在复杂环境如城市峡谷中易受多径、遮挡和衰减影响，定位性能下降。低地球轨道（LEO）通信卫星（如Iridium NEXT）下行信号功率高、卫星-地面几何变化快，为机会信号（signals of opportunity, SOP）定位提供了资源。然而，非合作LEO通信卫星不提供精密星历等先验信息，公开的两行根数（TLE）成为主要轨道状态来源，但TLE轨道误差会显著降低多普勒定位精度。已有研究分为两类：一是在定位中补偿或联合估计轨道误差；二是