利用Bernese5.2確定LEO衛星厘米級精密軌道

吳瓊寶,趙春梅，田華

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590;2.中國測繪科學研究院,北京 100830)

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利用Bernese5.2確定LEO衛星厘米級精密軌道

吳瓊寶1,2,趙春梅2，田華1

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590;2.中國測繪科學研究院,北京 100830)

本文在LEO衛星簡化動力學和SLR檢核的原理基礎上,利用Bernese5.2軟件實現LEO衛星簡化動力學定軌和軌道檢核。將Bernese5.2軟件定軌結果與Bernese5.0軟件進行對比,單點定位軌道精度提高了30～40 cm,觀測值組合定軌在徑向、切向和法向上均提高了3 cm左右.將定軌結果與GFZ科學軌道進行比較,利用Bernese5.2解算的衛星軌道其擬合精度更高,徑向、切向和法向均優于3 cm.利用SLR檢核LEO衛星軌道,其視向精度優于3 cm.

Bernese5.2;LEO;簡化動力學; SLR檢核

0 引 言

1957年世界上第一顆人造衛星Sputnik發射成功,自此人類對太空的探索不斷發展,各國相繼發射了一系列人造衛星,進行空間定位、太空探測與地球物理研究。根據人類對衛星的作用需求不同,衛星有不同的類型和軌道高度,其中低軌衛星在科研和應用方面的重大作用而得到迅速的發展,成為地球重力與物理研究的基礎。為了低軌衛星在軌任務的順利進行,對其進行精密定軌尤為重要。

低軌衛星精密定軌分為定軌技術與定軌方法兩個方面。在定軌技術方面,傳統的GPS定位技術由于成本低、技術成熟、精度高等優勢成為低軌衛星的主要定軌手段,隨著多普勒系統DORIS、衛星激光測距SLR與精密測距測速PRARE的不斷發展,利用其進行定軌得到越來越多的關注。國內外利用DORIS、SLR與GPS定軌技術成功應用于TOPEX/POSEIDON(T/P)衛星,精度達到2～5 cm[1].PRARE系統也成功應用于ERS-2衛星的精密定軌[2]。在定軌方法方面,傳統上采用的動力學方法為事后定軌,根據地面或空中的觀測數據,結合力學模型來解算低軌衛星的軌道。該方法受力學模型精確度的影響很大,而且由于低軌衛星的軌道高度低,大氣阻力等非保守力的影響較大,所以定軌精度受到限制。近年來,隨著星載GPS技術的發展,利用低軌衛星上的星載GPS數據解算該衛星的軌道成為可能。基于此,星載GPS定軌方法得到了快速的發展。根據定軌時是否采用低軌衛星動力信息,將定軌方法分為幾何法、動力法和簡化動力法。其中,幾何法定軌是利用星載GPS接收機的偽距和相位觀測數據進行結算,不受力學模型的影響,但是受觀測數據質量的影響很大[3];動力學定軌是利用低軌衛星動力學模型建立含參數的衛星運動方程,解算出衛星的先驗軌道,再通過實測數據對軌道進行改進,得到最優軌道估計值,應用于CHAMP衛星的定軌精度達到4～5 cm[4-5];簡動力定軌綜合幾何法和動力法的優勢,在力學模型的基礎上附加過程噪聲如常用的偽隨機脈沖,平衡了觀測數據與力學模型的對于定軌結果的影響,從而有效地提高了低軌衛星的定軌精度[6]。

本文利用Bernese5.2軟件,結合Grace衛星星載GPS數據和新的力學模型和參數,對低軌衛星進行簡化動力學定軌,驗證了Bernese5.2版本在低軌衛星精密定軌方面的可用性和精確性;針對簡動力軌道進行SLR檢驗,對結果進行了分析。

1 定軌

1.1 簡化動力學原理

低軌衛星位于地球外200～2 000 km范圍內繞地球運動,處于大氣層中間,受到多種力的作用,包括地球引力、日月引力、地球非球形攝動力、潮汐攝動、大氣阻力、太陽輻射壓、地球輻射壓以及相對論效應影響等。應用牛頓定律,低軌衛星運動微分方程為

(1)

假設先驗軌道r0(t)為已知,動力法定軌可視為是一個改善軌道的過程。對r(t)進行泰勒級數展開,并消去未知擾動力參數部分,則真實軌道r(t)可由參數pi的先驗值pi0表示:

(2)

式中： pi為軌道參數; n=6+d表示未知參數的個數,6個初始軌道元素與d個動力參數。

簡動力定軌與動力法定軌類似,都是采用力學模型和數值積分求解軌道,其不同之處在于簡動力定軌在求解軌道時引入偽隨機參數來平衡觀測數據和力學模型對定軌結果的影響,以此提高定軌精度[7]。

1.2 坐標系與模型參數設置

Bernese5.2版本進行低軌衛星定軌時,提供了在星固坐標系RSW下的結果,使得定軌分析更加方便和直觀。RSW坐標系原點位于目標質心,R正軸由地心沿目標方向指向目標質心(徑向),S正軸位于軌道坐標平面內與R軸垂直并指向目標運動方向(切向),W正軸與R軸和S軸成右手系。RSW坐標系與RTN坐標系定義相同,本文用Bernese5.2中的RSW坐標系表示。

定軌和SLR檢核時需要的力學模型及相關參數設置如表1所示。

表1 Bernese版本參數設置對比

2 SLR檢核

衛星激光測距技術是衛星精密定軌的重要手段,其測距精度達到1～2 cm,因此可利用SLR觀測數據對低軌衛星定軌結果進行站星距檢核。

首先是根據星歷計算SLR測站位置和衛星相位中心之間的距離,其距離公式為

(3)

式中: (Xs,Ys,Zs)為衛星的坐標; (Xi,Yi,Zi)為i測站的坐標。將上式計算的站星距歸算到SLR測站到衛星質心的距離:

(4)

本文采用的衛星相位中心到衛星質心的補償修正采用Bernese軟件提供的衛星相位中心偏差文件SATELLIT.I08中的修正值。

表2 相位中心質心補償修正

(5)

3 精度分析

本文利用Bernese5.2軟件對GRACE衛星2008年8月1日的星載觀測數據進行衛星定軌。

1) 單點定位精度統計。由Bernese5.0和Bernese5.2軟件計算GRACE衛星的軌道,然后對每個歷元對應的所有導航衛星計算的GRACE軌道坐標進行RMS值的統計,如表3和表4所示.由統計表對比得Bernese5.2軟件計算的軌道精度較高,位置精度提高了約40 cm,在慣性坐標系下的X,Y,Z三個方向的精度也相應的提高了30～40 cm.

表3 利用Bernese5.0解算單點定位的軌道精度統計

類別位置精度/mX/mY/mZ/mMIN00257002010021800602MAX85322230004200695261974MEAN14296133341334721244

表4 利用Bernese5.2解算單點定位的軌道精度統計

2) 由非差雙頻組合觀測值解算的衛星簡化動力學軌道與GFZ科學軌道進行對比,以及Bernese兩個版本軟件的定軌結果對比。圖1和圖2顯示,利用Bernese5.2解算的衛星軌道其擬合精度更高,徑向、切向和法向均優于3 cm,位置精度優于4 cm。Bernese5.0和Bernese5.2分別進行簡化動力學定軌結果對比如表4,Bernese5.2軟件定軌三向精度均有所提高,表現在位置精度上,提高了3.5 cm左右。

圖1 Bernese5.0軟件簡化動力學軌道與GFZ科學軌道對比統計

圖2 Bernese5.2軟件簡化動力學軌道與GFZ科學軌道對比統計

版本Bernese50R/mS/mW/mBernese52R/mS/mW/mRMS0052500395003020023600195002083D00720037

表6 SLR檢核簡化動力學定軌結果統計

3) 利用激光觀測數據檢核Bernese軟件結算的簡化動力學軌道,其對比結果如表5,SLR檢核Bernese5.2簡化動力學軌道的視向精度優于3cm,并且視向精度優于Bernese5.0定軌結果。

4 結束語

本文利用Bernese5.2軟件進行LEO衛星定軌,對比之前的5.0版本,精度上有明顯的提高,說明模型與參數設置對定軌結果影響較大,鉆研新的模型仍然是提高LEO衛星定軌的關鍵。隨著Bernese軟件逐漸更新,相信不久便可以處理北斗的數據,利用北斗導航系統進行LEO衛星定軌將會實現。

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[2] ANDERSEN P H, AKSNES K, SKONNORD H. Precise ERS-2 orbit determination using SLR, PRARE, and RA observations[J]. Journal of Geodesy, 1998, 72(7):421-429.

[3] 吳顯兵. 星載GPS低軌衛星幾何法定軌及動力學平滑方法研究[D].鄭州: 解放軍信息工程大學, 2004.

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[6] 趙春梅, 程鵬飛, 益鵬舉. 基于偽隨機脈沖估計的簡化動力學衛星定軌方法[J]. 宇航學報,2011(4): 762-766.

[7] 秦建, 郭金運, 孔巧麗,等. Jason-2衛星星載GPS數據cm級精密定軌[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2014, 39(2):137-141.

Precise Orbit Determination of LEO Satellite Based on Bernese5.2 Software with Cm-level Accuracy

WU Qiongbao1,2,ZHAO Chunmei2,TIAN Hua1

(1.CollegeofGeodesyandGeomatics,ShangdongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.ChineseAcademyofSurveyandMapping,Beijing100830,China)

This paper used Bernese5.2 software to determinate Reduced-dynamic orbit of LEO satellite and validate orbit with SLR data.Compared with Bernese5.0 software,using Bernese5.2 to determinate LEO orbit improved 30～40 cm of Single-pointposition and 3cm of Reduced-dynamic orbit on radial,normal,tangential direction.Compared with GFZ science orbit,the accuracy of LEO’s orbit based on bernese5.2 is better with three direction reach to 3cm.When we validate LEO orbit by SLR data,it shows that the accuracy is better than 3cm.

Bernese5.2; LEO； reduced-dynamic; SLR validation

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.001

2016-05-16

國家自然科學基金(批準號:41274018); 科技部基礎專項(編號:2015FY310200); 中國測繪科學研究院基本業務費(編號:7771509)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0001-04

吳瓊寶 (1991-)，男，安徽安慶人，碩士生，主要從事衛星定軌技術研究。

趙春梅 (1971-)，女，山東臨沂人，研究員，主要從事衛星精密定位與定軌理論與算法研究。

田華 (1989-)，女，山東臨沂人，碩士生，主要從事工程測量與工業測量、導航定位技術研究。

聯系人： 吳瓊寶 E-mail: wuqiongbao@163.com