GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件設(shè)計(jì)

景月娟，喬榮川，馮初剛

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GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件設(shè)計(jì)

景月娟1,2,3，喬榮川1,2，馮初剛4

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039；4. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030）

介紹了基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件，該軟件是采用Microsoft Visual Studio 2005軟件平臺(tái)，利用Visual Basic.NET編程技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，具有預(yù)處理觀測(cè)數(shù)據(jù)資料、解算GEO衛(wèi)星精密軌道、分析和圖形化軌道解算結(jié)果等功能。該軟件界面友好、可操作性強(qiáng)、方便省時(shí)，有效地提高了GEO衛(wèi)星定軌工作效率。

GEO衛(wèi)星；軌道確定；可視化軟件

衛(wèi)星定軌對(duì)國(guó)防建設(shè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及科學(xué)研究等方面都具有十分重要的意義[1]，同時(shí)GEO衛(wèi)星精密定軌是我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度?？傊?，GEO衛(wèi)星精密定軌軟件在衛(wèi)星導(dǎo)航乃至航天事業(yè)中的地位舉足輕重。

日常運(yùn)行使用的高精度衛(wèi)星定軌軟件運(yùn)行于Solaris系統(tǒng)（UNIX操作系統(tǒng)的衍生版本之一），該軟件對(duì)平臺(tái)的依賴(lài)性較強(qiáng)以及屬于命令式操作等不利因素制約了其在更多領(lǐng)域的推廣。為此，進(jìn)行了把精密定軌軟件從UNIX平臺(tái)移植到Windows平臺(tái)下的研究工作[2]。移植到Windows平臺(tái)下的精密定軌軟件的計(jì)算結(jié)果令人滿(mǎn)意，定軌軟件運(yùn)行時(shí)間明顯縮短，數(shù)據(jù)計(jì)算精度也達(dá)到了要求。但是不管在UNIX平臺(tái)還是在Windows平臺(tái)下，在使用高精度衛(wèi)星定軌軟件定軌前后，需要手動(dòng)運(yùn)行其他軟件對(duì)原始觀測(cè)資料進(jìn)行預(yù)處理或者對(duì)運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、圖形化等，因而費(fèi)時(shí)費(fèi)力、工作效率低下，且有時(shí)會(huì)因人為因素而不可避免地導(dǎo)致一些錯(cuò)誤。因此，需要在將衛(wèi)星定軌軟件移植到Windows平臺(tái)下的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件，使進(jìn)行衛(wèi)星定軌的一系列操作一體化、友好化和便捷化。

1 軟件簡(jiǎn)介

GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件是基于Windows平臺(tái)下的高精度衛(wèi)星定軌軟件，在Windows XP系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)出的一個(gè)軟件。該軟件采用Microsoft Visual Studio 2005軟件平臺(tái)，利用Visual Basic.NET開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，它適用于所有對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行定軌的工作，具有實(shí)現(xiàn)高精度衛(wèi)星定軌軟件操作可視化、網(wǎng)絡(luò)連接自動(dòng)化和結(jié)果圖形化等功能，且操作界面友好、外表直觀、簡(jiǎn)潔，可操作性強(qiáng)，使操作人員一目了然。該軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)自動(dòng)下載、定軌軟件可視化操作、定軌結(jié)果數(shù)據(jù)處理、繪圖以及數(shù)據(jù)文件的管理等部分。軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 軟件整體框架

2 軟件主要功能

下面介紹GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件的幾個(gè)重要功能。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

衛(wèi)星定軌用到的偽碼測(cè)距和光學(xué)測(cè)角原始觀測(cè)資料中不但包含多種系統(tǒng)差，而且還可能含有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，因此一般不能直接加以應(yīng)用[3]，必須經(jīng)過(guò)處理后才能用于定軌中。定軌觀測(cè)數(shù)據(jù)資料預(yù)處理模塊的主要功能是把原始觀測(cè)數(shù)據(jù)資料中的無(wú)效資料、野值以及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)資料等一一剔除，同時(shí)把有效的數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)化成全新的、特定的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。這一功能是通過(guò)Shell函數(shù)，調(diào)用用FORTRAN語(yǔ)言預(yù)先編好的程序文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體地說(shuō)，對(duì)于光學(xué)測(cè)角資料是通過(guò)界面操作調(diào)用測(cè)角資料數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)以上功能的，對(duì)偽碼測(cè)距資料是通過(guò)資料數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件可執(zhí)行文件來(lái)完成以上任務(wù)的。然后通過(guò)調(diào)用排序軟件，對(duì)初步整理好的數(shù)據(jù)資料按照觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行排序。經(jīng)過(guò)上述步驟后，就可以得到供衛(wèi)星定軌軟件進(jìn)行定軌計(jì)算所需要的特定的數(shù)據(jù)格式資料。該功能模塊使定軌數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)化一體化，便于使用。

2.2 自動(dòng)下載數(shù)據(jù)

用定軌軟件進(jìn)行衛(wèi)星定軌時(shí)，如果輸入文件中的行星歷表或者地球自轉(zhuǎn)參數(shù)過(guò)期，定軌軟件將無(wú)法順利運(yùn)行，需要對(duì)行星歷表或者地球自轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行更新。自動(dòng)下載數(shù)據(jù)模塊就是為此而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，利用超文本傳送協(xié)議（hyper text transfer protocol，HTTP）和文件傳送協(xié)議（file transfer protocol，F(xiàn)TP），分別下載地球自轉(zhuǎn)參數(shù)和行星歷表文件。利用Download（下載）方法可以連接到任何使用這2種協(xié)議的站點(diǎn)，并通過(guò)FileExists函數(shù)檢索要下載的文件是否存在。在登錄到地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件所在的http站點(diǎn)和衛(wèi)星星歷文件所在的FTP服務(wù)器后，分別下載所需要的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件和行星歷表文件到本地指定的路徑上。對(duì)于下載的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件還需要通過(guò)界面操作調(diào)用格式轉(zhuǎn)化軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最后才形成衛(wèi)星定軌所需要的具有正確格式的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)輸入文件。該功能模塊為提高定軌軟件自動(dòng)化水平打下了基礎(chǔ)。

2.3 可視化定軌

為保證衛(wèi)星定軌軟件順利運(yùn)行，除了要有特定格式的正確數(shù)據(jù)資料外，還需要數(shù)個(gè)必要的正確的初始化輸入文件。通過(guò)可視化定軌功能模塊，可以在定軌軟件運(yùn)行前，對(duì)輸入文件進(jìn)行檢查，同時(shí)可以修改初始軌道、運(yùn)行模式、力學(xué)模型、觀測(cè)模型和待估參數(shù)等。如果確定輸入文件是正確的，可以通過(guò)界面的執(zhí)行按鈕，開(kāi)始運(yùn)行衛(wèi)星定軌軟件?？梢暬ㄜ壞K設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)重定向功能，把定軌軟件運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)程文件保存到特定的路徑中的功能。當(dāng)定軌軟件成功運(yùn)行結(jié)束后，可以通過(guò)界面的結(jié)果瀏覽按鈕，對(duì)產(chǎn)生的過(guò)程文件和其他結(jié)果文件進(jìn)行瀏覽，以便對(duì)定軌結(jié)果進(jìn)行有效分析和處理。

2.4 結(jié)果處理

衛(wèi)星定軌軟件成功執(zhí)行結(jié)束后，生成了許多結(jié)果文件，例如結(jié)果報(bào)告和殘差等數(shù)據(jù)文件。為了對(duì)定軌結(jié)果做進(jìn)一步了解和分析，一般需要繪制軌道殘差圖或者軌道位置偏差圖。繪制殘差圖時(shí)可以直接操作界面，通過(guò)調(diào)用定軌結(jié)果殘差數(shù)據(jù)文件，完成軌道殘差圖的繪制；而為成功繪制軌道位置偏差圖，需對(duì)結(jié)果中的報(bào)告數(shù)據(jù)文件進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換處理。通過(guò)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)不同的軌道的結(jié)果報(bào)告數(shù)據(jù)文件分別進(jìn)行處理，生成地固坐標(biāo)系數(shù)據(jù)文件和慣性坐標(biāo)系數(shù)據(jù)文件，再把兩個(gè)分別生成的地固坐標(biāo)系數(shù)據(jù)文件進(jìn)行比較，產(chǎn)生在地心軌道平面坐標(biāo)系中、、三維方向上的位置偏差文件。然后可以通過(guò)界面操作調(diào)用生成的位置偏差文件，繪制軌道位置偏差圖。通過(guò)圖示可以更直觀地了解軌道的擬合程度或者軌道之差大小，同時(shí)可以把圖示保存起來(lái)，以備后用。

2.5 文件管理

該部分主要是針對(duì)以上幾個(gè)功能模塊執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的文件（如衛(wèi)星定軌程序運(yùn)行后產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果文件、過(guò)程文件和殘差文件以及下載的行星歷表文件和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件等）過(guò)期情況所設(shè)計(jì)的。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累，文件數(shù)量大，占用空間，同時(shí)易混淆，通過(guò)該模塊軟件可以清除過(guò)期文件。其刪除文件方式主要有自動(dòng)和手動(dòng)2種，自動(dòng)刪除是將選定的部分文件一次性全部刪除；手動(dòng)刪除是對(duì)部分文件有選擇性地刪除，即針對(duì)用戶(hù)的選擇有目的性地刪除。

3 軟件使用算例

選用2005年6月6日由偽碼測(cè)距系統(tǒng)5個(gè)觀測(cè)站提供的偽碼測(cè)距資料作為數(shù)據(jù)資料，對(duì)鑫諾-1衛(wèi)星的1 d觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

執(zhí)行GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件的可執(zhí)行文件，出現(xiàn)如圖2所示的進(jìn)入系統(tǒng)的登陸界面。輸入正確的帳號(hào)及密碼，點(diǎn)擊登陸按鈕，就可以順利進(jìn)入該軟件的主界面（圖3）。該界面主要由數(shù)據(jù)處理、文件下載、程序運(yùn)行、結(jié)果處理以及過(guò)期文檔刪除等部分組成。

圖2 軟件操作登陸界面

圖3 軟件主界面

在算例中，我們進(jìn)行的操作步驟包括：1）對(duì)原始數(shù)據(jù)資料進(jìn)行預(yù)處理；2）檢查修改定軌輸入數(shù)據(jù)文件（地球引力場(chǎng)文件、初始化文件、星歷表文件和ERP序列文件等）；3）啟動(dòng)衛(wèi)星定軌程序進(jìn)行定軌，解算衛(wèi)星軌道，瀏覽分析定軌結(jié)果文件；4）對(duì)衛(wèi)星定軌結(jié)果文件中的殘差文件進(jìn)行分析，同時(shí)繪制殘差圖；5）軌道對(duì)比：在參考系、測(cè)量模型和攝動(dòng)模型選取及求解參數(shù)的設(shè)置完全相同的情況下，對(duì)根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)資料（每秒一組數(shù)據(jù)）解算得到的軌道與根據(jù)對(duì)每30s時(shí)段的預(yù)處理后數(shù)據(jù)資料進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合得到的數(shù)據(jù)資料（每30 s一組數(shù)據(jù)）而解算得到的衛(wèi)星軌道進(jìn)行對(duì)比[4]。對(duì)比步驟為：①分解處理結(jié)果報(bào)告文件；②求解衛(wèi)星軌道之差；③繪制軌道之差圖。通過(guò)以上步驟，可以得到的主要輸出文件有計(jì)算結(jié)果文件和殘差文件。

利用GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件解算2005年6月6日鑫諾-1衛(wèi)星軌道，產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果文件即過(guò)程文件示于圖4。由過(guò)程文件可以得知：1）程序初始化輸入文件內(nèi)容：①衛(wèi)星的初始狀態(tài)、先驗(yàn)協(xié)方差；②運(yùn)行模式選擇（包括處理方式、迭代次數(shù)、弧段個(gè)數(shù)等）；③力學(xué)模型選擇；④積分器選擇（包括積分器類(lèi)型、步長(zhǎng)、積分時(shí)間等）；⑤觀測(cè)模型選擇（包括觀測(cè)類(lèi)型、臺(tái)站坐標(biāo)等）；⑥待估參數(shù)的選擇（包括動(dòng)力學(xué)參數(shù)與幾何參數(shù)）；⑦打印文件選擇等；2）每一弧段歷元時(shí)刻的衛(wèi)星狀態(tài)與協(xié)方差（初始、估計(jì)值）；3）欲求參數(shù)的估計(jì)值及其協(xié)方差；4）每一弧段各臺(tái)站觀測(cè)情況及其觀測(cè)殘差均方差；5）每一弧段總的觀測(cè)殘差均方差[5]。圖5為衛(wèi)星定軌殘差圖，該圖表明殘差值不超過(guò)0.5m；圖6給出了上述操作步驟5中2種衛(wèi)星精密軌道之差，其中軌道橫向分量之差不超過(guò)2cm，軌道法向分量之差不超過(guò)2 cm，軌道徑向分量之差不超過(guò)1 cm。

圖4 解算衛(wèi)星軌道所得的過(guò)程文件

圖5 鑫諾-1衛(wèi)星2005年6月6日精密定軌的殘差（O-C）

圖6 2種軌道之差

通過(guò)以上對(duì)GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件的整體框架、主要功能、運(yùn)行步驟及典型算例的介紹可知，該軟件能比較好地對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行預(yù)處理、下載文件、解算GEO衛(wèi)星精密軌道、處理解算軌道結(jié)果數(shù)據(jù)文件以及圖形化軌道結(jié)果等，使有關(guān)人員更直接地了解解算衛(wèi)星軌道的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果，有效地對(duì)解算所得的衛(wèi)星軌道進(jìn)行分析。

4 結(jié)語(yǔ)

GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件的界面設(shè)計(jì)友好、簡(jiǎn)潔實(shí)用、操作簡(jiǎn)單、功能基本完善，可以使操作者輕松、高效地進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)資料處理、自動(dòng)化下載數(shù)據(jù)文件和軟件運(yùn)行模式、力學(xué)模型、積分器、觀測(cè)模型、待估參數(shù)等選擇以及解算軌道結(jié)果查看和分析等。該軟件充分考慮了可操作性、便捷性以及自動(dòng)化性，提高了進(jìn)行GEO衛(wèi)星精密定軌的工作效率，為提高衛(wèi)星定軌的整體自動(dòng)化水平打下了基礎(chǔ)。

致謝 GEO衛(wèi)星定軌可視化軟件工作過(guò)程得到了弓劍軍、陳亮、雷輝和胡珍源的熱心幫助，在此向各位表示衷心的感謝！

[1] 李志剛, 楊旭海, 李偉超, 等. 轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測(cè)軌方法[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2006, 29(2): 81-89.

[2] 景月娟, 張會(huì)彥, 喬榮川. 衛(wèi)星定軌軟件的移植與測(cè)試分析[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2010, 33(22): 146-154.

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[4] 景月娟, 李志剛, 喬榮川, 等. GEO衛(wèi)星測(cè)距資料的壓縮方法研究[C] // 第二屆信息、電子與計(jì)算機(jī)工程國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 山東: 第二屆信息、電子與計(jì)算機(jī)工程國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議組委會(huì), 2010.

[5] 黃珹. 利用Lageos激光測(cè)距資料精密確定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)[D]. 上海: 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái), 1985.

A design of visualization softwareof GEO satellite orbit determination

JING Yue-juan1,2,3, QIAO Rong-chuan1,2, FENG Chu-gang4

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China;4. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China)

This article describes a visualization software of GEO satellite orbit determination, which is developed in the Windows system by adopting the Microsoft Visual Studio 2005 software platform and using the Visual Basic.NET programming technique. This software can pre-process observation data, compute GEO satellite orbit with high accuracy, analyze and plot the calculated results of satellite orbit, etc. Furthermore, this software has virtues such as friendly interface, high operability, convenience and time-saving, so as to improve the efficiency of GEO satellite orbit determination.

GEO satellite; orbit determination; visualization software

TN967.1

A

1674-0637(2011)01-0060-06

2010-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10573018，10873014）

景月娟，女，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星定軌軟件研究。