多颗小卫星编队飞行代替单颗大卫星是航天领域的重要发展趋势,也是实现InSAR以及重力场反演等科学任务的关键性技术,而小卫星相对位置的精确确定是编队飞行重要的基本问题之一。编队飞行的实时高精度相对定轨技术既能满足飞行任务的实时性,也是未来实现收发分置空基雷达、虚拟天线阵列等技术的前提。国内对于实时高精度相对定轨的研究相对较晚,短基线编队实时定轨仍然停留在利用伪距观测值阶段,对于中长基线仍在模拟验证阶段,距离工程应用差距较大,需要进一步的深入研究。因此,本文在动力学模型约束下,以轨道高度为460km-480km、基线长约为190km的GRACE卫星实测数据为例,基于单差无电离层相位观测值和UD滤波,实现高精度实时相对定轨软件RPOD,为相关研究和工程应用提供了参考。为了实现上述目的,本文针对影响实时相对定轨的三个关键问题进行了较为细致的研究:一是研究分析了影响相对定轨结果的各项观测值误差,包括电离层误差、广播星历误差、参考站位置误差、接收机钟差;二是通过绝对力学模型求差来获得“相对力学模型”,以控制观测值质量,约束相对轨道精度;三是设计优化了参数估计策略,本文采取单差相位法,在UD滤波器的基础上,利用一阶高斯马尔科夫过程的RTN方向补偿加速度来补偿相对力学模型的不足,并将相对接收机钟差以随机游走过程及钟差钟速模型近似。具体研究内容和结论如下:(1)较为系统地研究了实时相对定轨的观测模型、观测误差、力学模型和数据预处理方法。比较了已有的各种相对定轨方法,阐述了单差相位法的优缺点,进而提出了基于单差相位观测值作为实时相对定轨观测模型的实现方案;分析了电离层延迟误差、广播星历误差、参考站位置误差、接收机钟差等对相对定轨结果精度的影响,进而分析了在当前的误差影响下实现高精度实时相对定轨的可能性;研究给出了实时相对定轨的观测模型,分析了不同预报时长、重力场阶数下相对力学模型短期预报精度,结果显示为了实现高精度相对定轨,重力场阶数应不低于15x15阶;简要介绍了本文所采用的适用于单差观测值的伪距粗差探测、相位周跳探测的方法,并针对实时相对定轨的特点,采用相对力学模型来对伪距观测值进行质量控制。(2)编程实现了基于单差相位模型和UD滤波的星载GPS实时相对定轨软件,并基于广播星历和实测的长基线GRACE A/B卫星编队数据开展了实时相对定轨模拟计算与分析。结果显示,同JPL发布的事后精密轨道比较,分别采用直接差分法、单差伪距法、单差相位法的GRACE实时相对定轨三维位置精度分别为:0.55m、0.41m、0.1 1m,说明采用本文的相位单差定轨方案可以实现高精度的实时相对定轨,其R、T、N三个方向位置精度RMS分别为5cm、6cm、7cm,与国际上利用广播星历的无电离层载波相位双差法的精度相当。(3)在比较分析的基础上,优化了相对定轨的策略。为了给出适合于GRACE实时相对定轨的最优处理策略,本文通过设计多个不同的实验,较为细致地分析了补偿加速度的初始方差及其一阶马尔科夫过程的相关时间、稳态方差,接收机钟差的初始方差及其随机游走过程的相关时间、稳态方差等不同参数对实时相对定轨结果的影响。可以得出以下结论:第一,R、T、N的补偿加速度、接收机钟差参数初始方差对滤波收敛后的结果影响较小,但模糊度初始方差过小可能导致滤波发散;第二,补偿加速度过程噪声对滤波结果有明显影响,无论是稳态方差还是相关时间增大或减小,都会导致无法获得最优的滤波结果;第三,观测间隔越长,滤波结果越差,本文建议观测间隔不小于30s。(4)对比最优参数设置下接收机钟差随机游走模型与钟差钟速模型,得到钟差钟速模型可以进一步提高相对定轨精度到7.7cm;并基于钟差钟速模型对长短基线进行解算,单天位置精度均优于10cm,速度精度均优于0.12mm/s。