基于轉發式的北斗衛星導航系統地球靜止軌道衛星精密定軌試驗

雷 輝,李志剛,楊旭海,武文俊,成 璇,馮初剛

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

基于轉發式的北斗衛星導航系統地球靜止軌道衛星精密定軌試驗

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

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

北斗衛星導航系統;地球靜止軌道衛星;精密定軌;轉發式

1 引 言

衛星軌道的誤差直接影響衛星導航系統用戶的定位精度,因此,精確地確定衛星軌道是衛星導航定位的保障。我國衛星導航系統的空間部分采用 GEO/IGSO/MEO混合星座,在導航定位性能上有很多優點,在中國及周邊區域有更高的定位精度,并且便于管理,覆蓋穩定。GEO衛星的任務之一是通過改善用戶定位的精度放大因子GDOP提高區域用戶的定位精度,其二是提供不間斷的短報文RDSS(radio determination satellite service)服務。導航衛星的精密定軌是整個衛星導航系統運行的基礎,與其他軌道類型衛星相比,GEO衛星精密軌道確定存在較大的困難,主要表現在:①由于 GEO衛星軌道高約36 000 km,跟蹤站布設范圍相對較小,集中于國內,使得對 GEO衛星的觀測幾何結構強度相當差;②GEO衛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衛星需要頻繁地實施機動控制,也給 GEO衛星精密軌道的確定和預報帶來較大麻煩[1-4]。

GEO衛星常用的測控手段是S波段或C波段統一測控系統(USB或UCB)觀測技術,其測距精度為米級,衛星定軌精度為百米級水平,可以完成衛星常規定軌和測控任務,但是為了滿足衛星導航對定軌精度的要求,還需要發展更高精度的GEO衛星測軌技術。目前高精度的 GEO衛星測定軌技術主要還是距離測量,包括偽距和載波相位測量、轉發式測距測量和激光測距等模式。利用偽距對GEO衛星定軌,GEO衛星的靜地特性致使在定軌解算中無法對星地組合鐘差進行有效估計,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。衛星激光測距(SLR)精度高,目前已經達到厘米級或毫米級,但要實現對36 000 km外的GEO衛星的激光測距,對衛星上的激光反射器和地面的激光測距系統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,測量數據有限,一般作為定軌精度外符之用。

為了進一步提高 GEO衛星的軌道確定精度,針對傳統測定軌手段的不足,國內外一些學者對GEO衛星測定軌新技術展開了一系列理論研究和試驗。這些新技術包括: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光學照相技術;GPS輔助GEO衛星精密定軌技術;天地基聯合定軌等[1,6]。

在衛星雙向時間傳遞技術多年研究基礎上,文獻[7]提出了一種全新的衛星軌道測定方法——“轉發器式衛星測軌定軌方法與技術”。該方法不但能測定高精度的衛星軌道,而且能給出高精度的時間比對結果。其優點是觀測精度高,觀測方法能實現衛星測軌和時間同步分別歸算,時間同步誤差不影響衛星測軌確定,因此有很高的衛星測軌精度。

2 轉發器式衛星測軌觀測原理

“轉發器式衛星軌道測定方法”的原理是用各衛星地面站的原子鐘產生的高精度時間信號,用不同偽碼調制,同時向同一顆衛星發射相同載頻的偽碼擴頻信號,經衛星轉發器轉向各衛星地面站,每個地面站接收到所有臺站發送的時間信號,測定信號路徑的時延,從而確定地面站到衛星間的距離[7]。

圖1表示轉發器式衛星測軌觀測原理。i站和j站處于同等地位,i站主鐘的時間信號經調制后發送給衛星,衛星轉發 i站信號給j站,j站解調來自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站到衛星、再從衛星到 j站之間的距離。

3 數據分析和討論

分析過程采用的天文常數、參考系、力學模型和測量模型參照 IERS規范(1996),力學模型包括: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地球自轉形變攝動;⑧經驗加速度。

圖1 轉發器式衛星測距原理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永久潮汐項對臺站的影響;④海潮負荷潮對臺站的影響;⑤地球自轉形變對臺站的影響。

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(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。

測量數據包括:用 2010-08-13—2010-08-17 5 d數據,長春、臨潼、喀什3個站的C波段轉發式數據定軌。各轉發式測軌站在每個小時的前10分鐘測量設備的系統差。

定軌弧段取為1.5d,待估參數包括初始歷元6個軌道根數,1個光壓系數Cr,每個測站的轉發式測距數據系統差,每12 h解算一組 T方向經驗加速度。

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,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,用于檢驗定軌精度,這種方法經常用于衛星精密定軌的軌道精度檢核,其結果如表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,同時所觀測衛星在3個觀測站的同一側也是導致 N方向上比較大的原因,三維位置方向上小于10 m。

4 結 論

對2010-08-13—2010-08-17期間的 Compass-GEO衛星進行精密軌道確定計算,使用C波段轉發式測距數據進行定軌。從定軌殘差來看,各站均存在明顯的端部效應,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,這與觀測站的數量以及觀測站位置與衛星的關系有關,在三維位置方向上小于10 m。軌道的真實精度還有賴于SLR的檢核。

[1] OU Jikun,LIU Jihua,SUN Baoqi.Precision Orbit Determination ofa Geostationary Satellite GEO with Mirror Surface Projection Method[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2007,32(11):975-979.(歐吉坤,劉吉華,孫保琪.鏡面投影法確定地球同步衛星精密軌道[J].武漢大學學報:信息科學版,2007,32(11):975-979.)

[2] DU Lan.A Study on the Precise Orbit Determination of Geostationary Satellites[D]. Zhengzhou:Information Engineering University,2006.(杜蘭.GEO衛星精密定軌技術研究[D].鄭州:信息工程大學,2006.)

[3] HUANG Yong,HU Xiaogong,HUANG Cheng,et al.Precise Orbit Determination of a Maneuvered GEO Satellite Using CAPS Ranging Data[J].Science in China Series G:Physics Mechanics and Astronomy,2009,52(3):346-352.

[4] YANG Xuhai,LI Zhigang,FENGChugang,et al.Methods of Rapid Orbit Forecasting after Maneuvers for Geostationary Satellites[J].Science in China Series G:Physics Mechanics and Astronomy,2009,52(3):333-338.

[5] GUO Rui,HU Xiaogong,LIU Li,et al.Orbit Determination for Geostationary Satellites with the Combination of Transfer Ranging and Pseudorange Data[J].Science in China Series G:Physics Mechanics and Astronomy,2010,53(9):1746-1754.

[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衛星精密定軌中的應用[J].測繪科學技術學報,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);國家自然科學基金重點項目(11033004);“西部之光”聯合學者項目(2007L H01);中國科學院知識創新工程青年人才領域前沿項目(O700YR1S01);武漢大學衛星導航與定位教育部重點實驗室項目(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,主要研究方向為飛行器精密定軌及應用。

E-mail:leihui@ntsc.ac.cn