高軌衛星天基定軌原理演示系統的設計與實現＊

逄淑濤，楊 洋，2，董緒榮，柳 麗，柳 迪

（1.裝備指揮技術學院，北京 懷柔101416；2.北京環球信息開發中心，北京100094）

0 引 言

隨著衛星導航技術的飛速發展，高軌衛星以它獨特的高軌和靜地特性，廣泛應用于通信、資源勘測、氣象、天文和生物等各個學科領域，成為重要的軌道資源。然而，確定衛星軌道是其在應用中更好發揮作用的重要前提[1－2]。

衛星定軌是根據含有系統誤差和隨機誤差的觀測信息，利用一定的數學模型對能夠反映衛星任意時刻運動情況的軌道參數進行最優估計。目前，衛星定軌系統可以分為兩類：地基跟蹤系統和天基跟蹤系統。地基跟蹤系統定軌主要靠地面跟蹤站完成，天基跟蹤系統定軌是通過衛星在太空中的測量數據確定來完成的。隨著我國衛星產業的發展，對衛星定軌精度和定軌實時性的要求越來越高、越來越迫切，地基衛星定軌跟蹤系統也逐漸不能滿足需求，天基衛星定軌已成為未來的發展趨勢[3－5]。所以，高軌衛星天基定軌原理演示系統成為衛星天基定軌的一項重要應用。

1 系統設計

本系統設計在于能夠分步、清晰、直觀地演示高軌衛星天基定軌理論中所涉及到的主要內容及原理等，主要包括以下幾點：

1）以高軌衛星風云－2D、高軌衛星ROCK和低軌衛星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星的軌道參數；

2）以全球導航衛星系統GPS、GLONASS、Galileo和Compass為仿真示例完成導航星座衛星仿真，仿真中給出任意時刻導航星座中衛星的位置坐標；

3）以全球導航衛星系統GPS、GLONASS、Galileo和Compass為仿真示例完成高軌衛星及地面用戶星對導航星座衛星可見性的仿真，仿真中通過圖可以直觀地看到輸入任意時刻的可見衛星；

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高軌衛星定軌的仿真，仿真中給出各種方法的定軌結果。

根據以上設計思路對該系統進行實現。具體實現流程如圖1。

2 系統實現

2.1 用戶星軌道仿真

在用戶星軌道仿真中，為了能夠實現人與系統之間有更好的交互性，所以系統設計為既能顯示所給示例的軌道參數，又能通過輸入新的軌道參數來觀察相應的空間軌跡。如圖2、3為分別以高軌衛星ROCK、低軌衛星GRACE－A的仿真軌跡。

2.2 導航星座衛星仿真

在導航星座衛星仿真中，通過在MATLAB中讀取任意時間段的yuma.txt文件，可以得到任意時刻所對應的導航星座衛星的位置及坐標數據。如圖4、5所示。

2.3 導航星座衛星可見性仿真

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

2.4 高軌衛星天基定軌仿真

在高軌衛星天基定軌仿真中，要求能夠對任意時刻高軌衛星天基定軌精度仿真，獲得定軌誤差結果。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星座方法進行高軌衛星天基定軌時濾波步數為時長一周的濾波步數（8640步）的仿真結果。顯示了X、Y、Z方向的積分濾波位置和速度標準差為所顯示值時的誤差和可見衛星數。

3 結 論

通過以MATLAB仿真軟件為平臺，仿真結果充分驗證了該演示系統能夠高效、直觀地對高軌衛星天基定軌原理進行說明分析，且做到人機交互性較好，具有理論及現實意義。

[1]杜 蘭，鄭 勇，王 宏，等.GEO精密定軌技術的現狀及發展[J].飛行器測控學報，2005，24（6）：14－17.

[2]孫寶祥，黎 涌.高益軍.GPS自主定姿定軌技術在新一代大型靜止軌道衛星上的應用[J].航天控制，1999（3）：20－25.

[3]Christoph R，Roland S，Frank F，et al.An earth gravity field model complete to degree and order 150 from GRACE：EIGEN－GRACE02S[J].Journal of Geodynamics.2005，39（1）：1－10.

[4]Charles D，Willy B.The Instrument on NASA′s GRACE ission：Augmentation of GPS to achieve unprecedented gravity field measurements[C]∥ION GPS，Portland，2002：724－730.

[5]Svehla D，Rothacher M.Kinematic and reduced－dynamic precise orbit determination of low earth orbiters[J].Advances in Geosciences，2003（1）：47－56.