高軌衛(wèi)星天基定軌原理演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

逄淑濤，楊 洋，2，董緒榮，柳 麗，柳 迪

（1.裝備指揮技術(shù)學(xué)院，北京 懷柔101416；2.北京環(huán)球信息開發(fā)中心，北京100094）

0 引 言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，高軌衛(wèi)星以它獨(dú)特的高軌和靜地特性，廣泛應(yīng)用于通信、資源勘測(cè)、氣象、天文和生物等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，成為重要的軌道資源。然而，確定衛(wèi)星軌道是其在應(yīng)用中更好發(fā)揮作用的重要前提[1－2]。

衛(wèi)星定軌是根據(jù)含有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的觀測(cè)信息，利用一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)能夠反映衛(wèi)星任意時(shí)刻運(yùn)動(dòng)情況的軌道參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。目前，衛(wèi)星定軌系統(tǒng)可以分為兩類：地基跟蹤系統(tǒng)和天基跟蹤系統(tǒng)。地基跟蹤系統(tǒng)定軌主要靠地面跟蹤站完成，天基跟蹤系統(tǒng)定軌是通過衛(wèi)星在太空中的測(cè)量數(shù)據(jù)確定來完成的。隨著我國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星定軌精度和定軌實(shí)時(shí)性的要求越來越高、越來越迫切，地基衛(wèi)星定軌跟蹤系統(tǒng)也逐漸不能滿足需求，天基衛(wèi)星定軌已成為未來的發(fā)展趨勢(shì)[3－5]。所以，高軌衛(wèi)星天基定軌原理演示系統(tǒng)成為衛(wèi)星天基定軌的一項(xiàng)重要應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在于能夠分步、清晰、直觀地演示高軌衛(wèi)星天基定軌理論中所涉及到的主要內(nèi)容及原理等，主要包括以下幾點(diǎn)：

1）以高軌衛(wèi)星風(fēng)云－2D、高軌衛(wèi)星ROCK和低軌衛(wèi)星GRACE－A為仿真示例完成用戶星軌道仿真，仿真中給出各種類型衛(wèi)星的軌道參數(shù)；

2）以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GPS、GLONASS、Galileo和Compass為仿真示例完成導(dǎo)航星座衛(wèi)星仿真，仿真中給出任意時(shí)刻導(dǎo)航星座中衛(wèi)星的位置坐標(biāo)；

3）以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GPS、GLONASS、Galileo和Compass為仿真示例完成高軌衛(wèi)星及地面用戶星對(duì)導(dǎo)航星座衛(wèi)星可見性的仿真，仿真中通過圖可以直觀地看到輸入任意時(shí)刻的可見衛(wèi)星；

4）以GNSS星座法、GPS星座法和X射線脈沖星輔助GPS星座法為仿真示例完成對(duì)高軌衛(wèi)星定軌的仿真，仿真中給出各種方法的定軌結(jié)果。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖1。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 用戶星軌道仿真

在用戶星軌道仿真中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)人與系統(tǒng)之間有更好的交互性，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為既能顯示所給示例的軌道參數(shù)，又能通過輸入新的軌道參數(shù)來觀察相應(yīng)的空間軌跡。如圖2、3為分別以高軌衛(wèi)星ROCK、低軌衛(wèi)星GRACE－A的仿真軌跡。

2.2 導(dǎo)航星座衛(wèi)星仿真

在導(dǎo)航星座衛(wèi)星仿真中，通過在MATLAB中讀取任意時(shí)間段的yuma.txt文件，可以得到任意時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航星座衛(wèi)星的位置及坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如圖4、5所示。

2.3 導(dǎo)航星座衛(wèi)星可見性仿真

導(dǎo)航星座衛(wèi)星的可見性是定軌理論的重要組成部分。在仿真導(dǎo)航觀測(cè)量的模型中，必須仿真出高軌衛(wèi)星或地面用戶星對(duì)每一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的可見性，即在任一時(shí)刻，高軌衛(wèi)星或地面用戶星可以接收到哪幾顆導(dǎo)航衛(wèi)星的電磁波信號(hào)。如圖6、8為高軌衛(wèi)星及地面用戶星對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的可見性演示，在界面上輸入任意時(shí)刻，便可以得到在相應(yīng)時(shí)刻可見的衛(wèi)星，并得出可見衛(wèi)星的坐標(biāo)位置，如圖7、9.

2.4 高軌衛(wèi)星天基定軌仿真

在高軌衛(wèi)星天基定軌仿真中，要求能夠?qū)θ我鈺r(shí)刻高軌衛(wèi)星天基定軌精度仿真，獲得定軌誤差結(jié)果。如圖10所示，以X射線脈沖星輔助GPS星座方法為例，顯示了利用X射線脈沖星輔助GPS星座方法進(jìn)行高軌衛(wèi)星天基定軌時(shí)濾波步數(shù)為時(shí)長(zhǎng)一周的濾波步數(shù)（8640步）的仿真結(jié)果。顯示了X、Y、Z方向的積分濾波位置和速度標(biāo)準(zhǔn)差為所顯示值時(shí)的誤差和可見衛(wèi)星數(shù)。

3 結(jié) 論

通過以MATLAB仿真軟件為平臺(tái)，仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了該演示系統(tǒng)能夠高效、直觀地對(duì)高軌衛(wèi)星天基定軌原理進(jìn)行說明分析，且做到人機(jī)交互性較好，具有理論及現(xiàn)實(shí)意義。

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