基于轉(zhuǎn)發(fā)式的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌試驗(yàn)

雷 輝,李志剛,楊旭海,武文俊,成 璇,馮初剛

1.中國科學(xué)院國家授時中心,陜西西安710600;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100049;3.中國科學(xué)院上海天文臺,上海200030

基于轉(zhuǎn)發(fā)式的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌試驗(yàn)

雷 輝1,2,李志剛1,楊旭海1,武文俊1,2,成 璇1,2,馮初剛3

1.中國科學(xué)院國家授時中心,陜西西安710600;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100049;3.中國科學(xué)院上海天文臺,上海200030

地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Compass)的衛(wèi)星導(dǎo)航中具有特別重要的作用,除了利用導(dǎo)航系統(tǒng)自身的偽距相位以外,利用其他的測軌系統(tǒng)對其進(jìn)行精密定軌有著重要的意義。利用國家授時中心的轉(zhuǎn)發(fā)式測軌網(wǎng)對Compass的 GEO衛(wèi)星進(jìn)行觀測,獲取轉(zhuǎn)發(fā)式測軌數(shù)據(jù),利用該數(shù)據(jù)對Compass的 GEO衛(wèi)星進(jìn)行精密定軌分析。分別從觀測數(shù)據(jù)的觀測精度,定軌殘差以及軌道重疊誤差等方面分析 GEO衛(wèi)星的定軌精度。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);地球靜止軌道衛(wèi)星;精密定軌;轉(zhuǎn)發(fā)式

1 引 言

衛(wèi)星軌道的誤差直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶的定位精度,因此,精確地確定衛(wèi)星軌道是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的保障。我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間部分采用 GEO/IGSO/MEO混合星座,在導(dǎo)航定位性能上有很多優(yōu)點(diǎn),在中國及周邊區(qū)域有更高的定位精度,并且便于管理,覆蓋穩(wěn)定。GEO衛(wèi)星的任務(wù)之一是通過改善用戶定位的精度放大因子GDOP提高區(qū)域用戶的定位精度,其二是提供不間斷的短報文RDSS(radio determination satellite service)服務(wù)。導(dǎo)航衛(wèi)星的精密定軌是整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ),與其他軌道類型衛(wèi)星相比,GEO衛(wèi)星精密軌道確定存在較大的困難,主要表現(xiàn)在:①由于 GEO衛(wèi)星軌道高約36 000 km,跟蹤站布設(shè)范圍相對較小,集中于國內(nèi),使得對 GEO衛(wèi)星的觀測幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相當(dāng)差;②GEO衛(wèi)星與地面跟蹤站的位置相對靜止,站星幾何變化很小,增加觀測時間帶來的信息量有限,使得一些系統(tǒng)誤差如鐘差及測站偏差等難以解算和分離;③為了保持位置相對地球同步,GEO衛(wèi)星需要頻繁地實(shí)施機(jī)動控制,也給 GEO衛(wèi)星精密軌道的確定和預(yù)報帶來較大麻煩[1-4]。

GEO衛(wèi)星常用的測控手段是S波段或C波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)(USB或UCB)觀測技術(shù),其測距精度為米級,衛(wèi)星定軌精度為百米級水平,可以完成衛(wèi)星常規(guī)定軌和測控任務(wù),但是為了滿足衛(wèi)星導(dǎo)航對定軌精度的要求,還需要發(fā)展更高精度的GEO衛(wèi)星測軌技術(shù)。目前高精度的 GEO衛(wèi)星測定軌技術(shù)主要還是距離測量,包括偽距和載波相位測量、轉(zhuǎn)發(fā)式測距測量和激光測距等模式。利用偽距對GEO衛(wèi)星定軌,GEO衛(wèi)星的靜地特性致使在定軌解算中無法對星地組合鐘差進(jìn)行有效估計,需要星地時間同步和站間時間同步的支持,同樣,載波相位測量雖然精度很高(毫米級),但需克服整周模糊度等問題。衛(wèi)星激光測距(SLR)精度高,目前已經(jīng)達(dá)到厘米級或毫米級,但要實(shí)現(xiàn)對36 000 km外的GEO衛(wèi)星的激光測距,對衛(wèi)星上的激光反射器和地面的激光測距系統(tǒng)都提出了很高的要求[5],而且激光測距受天氣等因素影響較大,測量數(shù)據(jù)有限,一般作為定軌精度外符之用。

為了進(jìn)一步提高 GEO衛(wèi)星的軌道確定精度,針對傳統(tǒng)測定軌手段的不足,國內(nèi)外一些學(xué)者對GEO衛(wèi)星測定軌新技術(shù)展開了一系列理論研究和試驗(yàn)。這些新技術(shù)包括:高分辨率角度觀測,如甚長基線干涉測量(VLBI);連線干涉測量(CEI);高精度 CCD光學(xué)照相技術(shù);GPS輔助GEO衛(wèi)星精密定軌技術(shù);天地基聯(lián)合定軌等[1,6]。

在衛(wèi)星雙向時間傳遞技術(shù)多年研究基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[7]提出了一種全新的衛(wèi)星軌道測定方法——“轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測軌定軌方法與技術(shù)”。該方法不但能測定高精度的衛(wèi)星軌道,而且能給出高精度的時間比對結(jié)果。其優(yōu)點(diǎn)是觀測精度高,觀測方法能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星測軌和時間同步分別歸算,時間同步誤差不影響衛(wèi)星測軌確定,因此有很高的衛(wèi)星測軌精度。

2 轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測軌觀測原理

“轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星軌道測定方法”的原理是用各衛(wèi)星地面站的原子鐘產(chǎn)生的高精度時間信號,用不同偽碼調(diào)制,同時向同一顆衛(wèi)星發(fā)射相同載頻的偽碼擴(kuò)頻信號,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)向各衛(wèi)星地面站,每個地面站接收到所有臺站發(fā)送的時間信號,測定信號路徑的時延,從而確定地面站到衛(wèi)星間的距離[7]。

圖1表示轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測軌觀測原理。i站和j站處于同等地位,i站主鐘的時間信號經(jīng)調(diào)制后發(fā)送給衛(wèi)星,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā) i站信號給j站,j站解調(diào)來自i站的時間信號,確定接收到的時間信號和j站主鐘的時間信號之間的時刻差,從而確定i站到衛(wèi)星、再從衛(wèi)星到 j站之間的距離。

3 數(shù)據(jù)分析和討論

分析過程采用的天文常數(shù)、參考系、力學(xué)模型和測量模型參照 IERS規(guī)范(1996),力學(xué)模型包括:①日月引力攝動;②固體潮攝動;③海潮攝動;④地球形狀攝動(J GM3地球引力場模型,截取到10階次);⑤太陽光壓攝動;⑥廣義相對論;⑦地球自轉(zhuǎn)形變攝動;⑧經(jīng)驗(yàn)加速度。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測距原理Fig.1 The principle of transponder ranging for satellite

測量模型包括:①Saastamoinen-NMF大氣折射模型;②固體潮引起的臺站位移;③永久潮汐項(xiàng)對臺站的影響;④海潮負(fù)荷潮對臺站的影響;⑤地球自轉(zhuǎn)形變對臺站的影響。

定軌計算中涉及的參考系包括:①J2000.0平赤道(X-Y平面)和平春分點(diǎn)(X軸方向);②IAU76歲差;③ IAU1980章動模型,加上IERS章動改正;④DE403/LE403行星歷表;⑤地球參考架ITRF2000。

測量數(shù)據(jù)包括:用 2010-08-13—2010-08-17 5 d數(shù)據(jù),長春、臨潼、喀什3個站的C波段轉(zhuǎn)發(fā)式數(shù)據(jù)定軌。各轉(zhuǎn)發(fā)式測軌站在每個小時的前10分鐘測量設(shè)備的系統(tǒng)差。

定軌弧段取為1.5d,待估參數(shù)包括初始?xì)v元6個軌道根數(shù),1個光壓系數(shù)Cr,每個測站的轉(zhuǎn)發(fā)式測距數(shù)據(jù)系統(tǒng)差,每12 h解算一組 T方向經(jīng)驗(yàn)加速度。

定軌殘差如圖2和表1所示。

圖2 2010-08-13—2010-08-17期間用1.5 d弧長精密定軌的各站殘差Fig.2 The residuals of each station during 2010-08-13—2010-08-17

從圖中看出,各站均存在明顯的端部效應(yīng),而且臨潼站部分時段存在噪聲大的問題。除了臨潼站以外各站的均方差值(RMS)均小于10 cm。

表1 2010-08-13—2010-08-17期間用1.5 d弧長精密定軌的各站殘差(RMS)Tab.1 The RMSfor residuals of each station during 2010-08-13—2010-08-17

定軌弧段取為1.5 d,每兩次定軌有0.5 d重疊,用于檢驗(yàn)定軌精度,這種方法經(jīng)常用于衛(wèi)星精密定軌的軌道精度檢核,其結(jié)果如表2所示。

表2 2010-08-13—2010-08-17期間用1.5 d弧長精密定軌的軌道重疊差Tab.2 The orbit overlap during 2010-08-13—2010-08-17

從表2可以看出軌道在 R方向以及N方向上比較大,這可能是由于只有3個觀測站而且3個觀測站均分布在北半球有關(guān),同時所觀測衛(wèi)星在3個觀測站的同一側(cè)也是導(dǎo)致 N方向上比較大的原因,三維位置方向上小于10 m。

4 結(jié) 論

對2010-08-13—2010-08-17期間的 Compass-GEO衛(wèi)星進(jìn)行精密軌道確定計算,使用C波段轉(zhuǎn)發(fā)式測距數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌。從定軌殘差來看,各站均存在明顯的端部效應(yīng),而且臨潼站部分時段存在噪聲大的問題,除了臨潼站以外各站的均方差均小于10 cm。從軌道重疊上來看,軌道在 R方向以及N方向上比較大,這與觀測站的數(shù)量以及觀測站位置與衛(wèi)星的關(guān)系有關(guān),在三維位置方向上小于10 m。軌道的真實(shí)精度還有賴于SLR的檢核。

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[6] DU Lan,ZHENG Yong,LI Jie.VLBI-augmented Orbit Determination for Geostationary Satellites[J].Journal of Institute of Surveying and Mapping,2006,23(4):269-271.(杜蘭,鄭勇,李杰.VLBI在 GEO衛(wèi)星精密定軌中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2006,23(4):269-271.)

[7] LI Zhigang,YANG Xuhai,AI Guoxiang,et al.A New Method for Determination of Satellite Orbits by Transfer[J].Science in China Series G:Physics Mechanics and Astronomy,2009,52(3):384-392.

(責(zé)任編輯:雷秀麗)

Precise Orbit Determination Experiment of Compass-GEO Based on Transponder Ranging

L EI Hui1,2,LI Zhigang1,YANG Xuhai1,WU Wenjun1,2,CHENG Xuan1,2,FENG Chugang3
1.National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710600,China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030,China

GEO satellites play a significant role in Compass satellite navigation system.So it has important significance using other orbit measurement system for its precision orbit determination,using itself pseudo-range and phase measurement.Observing data has been obtained through transponder ranging system build by national time service center,Chinese academy of sciences.This paper makes the orbit determination for Compass-GEO satellite using transponder ranging data,analyze the accuracy of orbit determination through measurement accuracy,orbit residuals and orbit overlap respectively.

Compass;GEO;precise orbit determination;transponder ranging

L EI Hui(1981—),male,assistant professor,majors in precise orbit determination for spacecraft and its application.

P228

:A

國家973計劃(2007CB815503);國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(11033004);“西部之光”聯(lián)合學(xué)者項(xiàng)目(2007L H01);中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前沿項(xiàng)目(O700YR1S01);武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航與定位教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(GRC-2009002)

1001-1595(2011)S-0031-03

2011-01-03

修回日期:2011-03-22

雷輝(1981—),男,助理研究員,主要研究方向?yàn)轱w行器精密定軌及應(yīng)用。

E-mail:leihui@ntsc.ac.cn