應用類神經網路與多項式曲線擬合估測GPS衛星軌道與星曆

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研究生：	劉添雷 Tien-Lei Liu
論文名稱：	應用類神經網路與多項式曲線擬合估測GPS衛星軌道與星曆 GPS Satellite Orbit and Ephemeris Prediction using Neural Network and Polynomial Curve Fitting
指導教授：	高維文 Wei-Wen Kao
口試委員:	陳亮光 Liang-Kuang Chen 張淑淨 Shwu-Jing Chang
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 機械工程系 Department of Mechanical Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	96
語文別：	中文
論文頁數：	80
中文關鍵詞：	衛星軌道、衛星星曆、軌道估測、星曆估測、倒傳遞類神經網路、多項式曲線擬合
外文關鍵詞：	satellite orbit, satellite ephemeris, orbit estimation, polynomial curve fitting
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全球定位系統（Global Positioning System ,GPS）是一套即時性定位系統，只要使用者之接收機與衛星間的信號不被遮蔽，可以在不受天候、時間、地點等影響，提供地球上任何使用者三度空間的定位服務。然而，除了位置準確度、速度準確度及時間準確度為使用者使用GPS接收機當時的性能參數外，GPS接收機在各種狀況下的開機後第一次定位時間，亦為接收機不可忽略的性能參數之ㄧ。GPS衛星星曆的具備與否，則直接關係著GPS接收機第一次定位所需的時間。
本實驗嘗試利用GPS相對於地球之衛星軌道的相關週期特性，配合已知的GPS衛星星曆，以類神經網路及多項式曲線擬合等工具，建立基本週期軌道模型、時鐘修正量模型及軌道週期、基本軌道估測誤差等參數，並利用其估測未來1~7天的GPS衛星軌道及時鐘修正量。在實驗中，在第5天的軌道估測平均誤差可達500公尺，7天中的時鐘修正量平均誤差可達15奈秒。即使，以其他日期測試本實驗方法的廣義化能力，在第3天的軌道估測平均誤差可達500公尺，其相對應的時鐘修正量估測誤差亦達62奈秒。

The Global Positioning System（GPS）is a set of real-time positioning system. So long as the signal surrounding the user's receiver and satellite is not obstructed, the GPS could provide the positioning three-dimension service for any users on earth in the absence of influences of weather, time, place etc. However, in addition to the accuracy of location, velocity, and time, the length of time the GPS receiver needs to fix for the first use under different circumstances is also an important performance parameter that cannot be ignored. Whether the GPS satellite is equipped with ephemeris is also closely related to the time the GPS receiver needs for the first fix.
In this experiment, we attempts to construct a fundamental period orbit model, clock correction model, satellite orbit period, fundamental error of estimated orbit and so on to predict GPS satellite orbit in future 7 days and clock correction by several tools such as neural network and polynomial curve fitting and operating in coordination with the GPS’s satellite orbit's in related cyclical characteristics and the known GPS satellite ephemeris. In the experiment, the average error of the orbit estimation may be less than 500 meters on the 5th day and the average error of the clock correction estimation may be less than 15 nanoseconds in the 7 days. Even if, in the Generalization tests of this experimental technique by other dates, the average error of the orbit estimation may be less than 500 meters at the 3rd day and the corresponded average error of the clock correction estimation may be less than 62 nanoseconds.

中文摘要	I
英文摘要	II
誌謝	III
目錄	IV
圖目錄	VII
表目錄	X
第一章  緒論	1
1 前言	1
2 研究動機	1
3 文獻回顧	3
4 論文架構	4
第二章  全球定位系統 GPS	6
1 概述	6
2 GPS三個組成部份	6
2.1 太空部份（Space Segment）	7
2.2 控制部份（Control Segment）	9
2.3 使用者部份（User Segment）	11
3 GPS定位原理	11
4 GPS接收機的基本考量	13
4.1 第一次定位時間TTFF（Time to First Fix）	13
4.1.1 衛星年曆收集	16
4.1.2 衛星星曆收集	16
5 GPS最終精密星曆	17
第三章  衛星軌道力學	19
1 座標系統	19
1.2 地球固定系統	20
1.3 地心慣性系統	21
2 經典軌道元素	22
3 克卜勒軌道	23
4 衛星間鏈結（Inter Satellite Links）	29
第四章 模擬工具	33
1 類神經網路	33
1.1 類神經網路基本架構	33
1.2 倒傳遞類神經網路	35
1.2.1 倒傳遞類神經網路架構	36
1.2.2 倒傳遞類神經網路演算法	37
1.2.3 網路廣義化能力改善[14]	40
1.2.3.1 規則化	40
2 曲線擬合	41
第五章  實驗設定	43
1 實驗相關估測模型與參數	43
1.1 基本週期軌道模型	43
1.2 時鐘修正量模型	47
1.3 軌道週期	48
1.4 基本軌道估測誤差	50
1.5 相對時間	54
2 實驗條件設定	55
2.1 基本週期軌道模型及固定週期估測	55
2.2 基本週期軌道模型、固定週期及基本軌道估測誤差估測	57
2.3基本週期軌道模型、變動週期及基本軌道估測誤差估測	58
第六章  實驗結果	60
1基本週期軌道模型及固定週期估測結果	60
2基本週期軌道模型、固定週期及基本軌道估測誤差估測結果	62
3基本週期軌道模型、變動週期及基本軌道估測誤差估測結果	64
4 延伸估測實驗	67
5 廣義化能力測試	68
第七章  結論與展望	75
參考文獻	78

                                

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【23】http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/aeroblks/ecef6dof.gif
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【25】http://www.ii.metu.edu.tr/~ion526/demo/chapter1/section1.4/images/fig110-thumb.gif
【26】Oliver Montenbruck and Eberhard Gill, “Satellite Orbits:Model, Methods and Applications” ,3rd ED.,Springer,2005

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