GRAIL月球重力场模型定轨性能分析

由最新GRAIL跟踪数据解算的月球重力场模型相较于之前的模型在分辨率和精度上有了巨大的飞跃,本文采用月球重力场模型GRGM660PRIM,通过与历史LP150Q和SGM150j模型对比,从轨道预报和精密定轨两个角度定量分析了GRGM660PRIM的定轨性能。计算结果表明,对于卫星轨道寿命预报,GRGM660PRIM并未体现出较大优势,与LP150Q和SGM150j相当;对于大倾角的Apollo 16子卫星的精密定轨,GRGM660PRIM体现出其高精度、高阶次的优势,双程Doppler测速残差RMS由1.36~1.48mm/s降低至0.722mm/s,三程Doppler测速残差RMS由1.67~1.69mm/s降低至1.2mm/s,定轨精度得到显著的提高。     

利用零相位Kaiser窗滤波器改善MEX多普勒数据定轨精度

精密轨道确定在深空探测中至关重要,而定轨数据中的白噪声会影响定轨性能。基于零相位分析,比较了FRR（forward-filter reverse-filter reverse-output）、RRF（reverse-filter reverse-filter forward-output）和Matlab中的filtfilt这3种滤波器的优劣,设计了一种零相位Kaiser窗低通滤波器。利用火星快车号（Mars Express,MEX）的仿真数据和实测数据验证了零相位Kaiser窗低通滤波器的性能,结果发现滤除白噪声后MEX数据的定轨精度有了显著改善。双程测速数据残差均方根（root mean square,RMS）减小为原来的1/3左右,达到了0.031 mm/s;轨道位置和速度与欧空局（European Space Agency,ESA）精密轨道的差异明显变小。该滤波算法作为定轨前的数据预处理可以提高定轨精度,从而为中国火星探测器的轨道数据处理提供一定的参考。     

深空探测器精密定轨与重力场解算系统(WUDOGS)及其应用分析

WUDOGS是武汉大学自主研发的深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统。该软件目前已经具备月球、火星探测器的高精度定轨能力。本文首先简要介绍了WUDOGS设计思路及其主要功能,然后重点介绍了WUDOGS与国际上领先水平的行星探测器精密定轨软件系统GEODYN-Ⅱ的交叉验证测试过程。结果表明:对于探测器的轨道预报,WUDOGS与GEODYN-Ⅱ的1个月位置差异小于0.3mm,2d位置差值小于5×10-3 mm;双程测距、双程测速的理论计算值和GEODYN-Ⅱ的差值分别在0.06 mm、0.002 mm/s的水平;对月球探测器"嫦娥一号"的精密定轨显示WUDOGS和GEODYN-Ⅱ符合在2cm水平,对火星探测器MEX的精密定轨显示WUDOGS和欧空局精密轨道符合在25m水平。该软件目前的研发情况及其与国外研究水平的对比表明WUDOGS具有良好的应用前景,对满足我国后续深空探测发展的需求以及深空探测器精密定轨软件的研发具有重要意义。     

火星探测器精密定轨定位与火卫一低阶重力场研究EI北大核心CSCD

论文详细地研究了火星探测器精密定轨定位理论与方法。从火星轨道器精密定轨问题入手,重点对欧空局火星快车号探测器进行了相关研究。通过梳理定轨策略,全面处理了火星快车多普勒跟踪数据,获得了高精度的火星快车重建轨道。同时在国际上首次融合处理多次火星快车飞掠火卫一期间的观测数据,提高了火卫一低阶重力场模型的精度。     

基于MGS测图段部分弧段的精密定轨及火星重力场模型解算

火星探测器精密定轨关联到火星探测任务的成功实施并为其科学目标的顺利完成提供保障,火星重力场研究除了为精密定轨服务外,还是进行火星内部结构、火星表面质量迁移及火星形成和演化的重要约束条件。基于火星探测器精密定轨及火星重力场研究的重要意义,本文利用MGS（Mars Global Surveyor）测图任务阶段近两个月的轨道跟踪数据进行了解算分析,对精密定轨结果进行了精度评价。在此基础上,进行了火星重力场模型解算,通过轨道残差、火星自由空气重力异常等方式对解算模型进行了精度评价,结果表明解算模型合理。这一研究为我国即将发射的火星探测计划“萤火一号”轨道跟踪数据用于火星重力场研究打下了基础。     

水星探测器精密定轨软件研制及应用

考虑到中国有望开展自主水星探测任务，研制了国内首套具有自主知识产权的水星探测器精密定轨及动力学参数解算软件系统MERGREAS（Mercury Gravity Recovery and Analysis Software/System）。从星历预报、仿真观测量、精密定轨等3个方面与GEODYN-Ⅱ软件进行详细的对比分析，两者一天内的探测器星历预报位置差异在10-7~10-8 m的量级，速度差异在10-9~10-12 m/s的量级；仿真双程测距差异接近10-4 m的量级，双程测速差异为4×10-6 m/s左右；仿真定轨差异则为X方向0.2 m，Y方向0.7 m，Z方向0.5 m，表明MERGREAS各项精度与GEODYN-Ⅱ基本达到一致。模拟同波束数据进行水星探测器和着陆器定位解算，轨道器位置误差为1 m左右，着陆器位置误差为0.88 m；考虑水星重力场和自转模型误差的影响之后，解算的轨道器位置误差为13.6 m，着陆器位置误差为250.3 m。该软件可以为中国未来水星探测任务中的轨道跟踪数据处理提供参考，具有一定的应用价值。     

中国VLBI观测网对木星低阶重力场解算的贡献

随着中国深空探测进程的不断推进,研究热点逐渐从月球、类地行星转向气态行星。木星探测任务中,探测器精密定轨软件的研制是探测初期模拟仿真以及任务实施期间无线电跟踪数据处理的重要工具,而其中涉及的木星重力场模型、自转定向模型等相关参数的解算则是重要的科学问题。介绍了自研木星探测器精密定轨及动力学参数解算软件(Jupiter gravity recovery and analysis software,JUPGREAS),并与GEODYN-Ⅱ(geodetic parameter estimation and precision orbit determination system-Ⅱ)进行了对比验证。结果显示,轨道预报7 d的精度在10-4m量级;均使用高斯白噪声为1 mm/s的双程测速观测值进行精密定轨解算,两套软件之间的初轨改正量最大差异为1.84 m。基于JUPGREAS仿真处理了中国深空网和甚长基线干涉测量观测网(Chinese very long baseline interferometry network, CVN)跟踪的木星探测器数据,对甚长基线干涉测量时延和双程多普勒观测量中分别加上0.5 ns和0.5 mm/s的高斯白噪声,其定轨位置误差为0.822 m。结果还表明,相较于单纯使用多普勒数据,加入CVN跟踪的时延数据后,木星重力场带谐项系数解算精度有了明显提高。     

基于自发自收测距的GEO卫星精密定轨

对于基于伪距测量模式的GEO卫星定轨,需要星地时间同步和站问时间同步的支持,因此卫星钟差和接收机钟差的精度直接制约了GEO卫星的定轨精度.自发自收式测距的观测数据并不含有卫星钟差和接收机钟差信患,定轨解算中避免了钟差精度带来的影响,可以实现GEO卫星的精密定轨.此处采用GEO卫星的自发自收武测距数据进行精密定轨试验,分析和讨论了基于自发自收式测距的GEO卫星精密定轨策略,提出了卫星轨控后轨道快速恢复的定轨策略.试验结果表明:轨道的内符R方向精度为1.615 m,位置精度为11.642m,定轨残差为0.279m;轨道恢复1 h后的定轨位置精度优于60m,恢复6 h后的定轨位置精度优于15m,定轨残差在0.15 m左右.     

行星际深空探测中双程测速的高精度计算方法

对于行星际深空探测（距地球1亿km以上）任务,由于受到计算机字长的限制,传统双程测速模型的计算精度无法满足高精度定轨的需要,其最大误差源于多普勒频移周计数终点和始点上行几何距离之间和下行几何距离之间差分值的计算过程。对此建立行星际双程测速模型,高精度地计算了两个差分值,推导模型的计算公式并给出详细步骤,同时给出计算过程中需要的切比雪夫差分多项式递推公式的形式。将该模型在深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统（Wuhan University deep-space orbit determination and gravity recovery system,WUDOGS）中进行了实现,并以欧空局火星快车号（Mars express,MEX）探测任务为背景,利用该软件进行仿真测试,从计算精度和定轨结果两个方面验证该模型的优越性。结果表明,该模型将双程测速的计算值在计算机中表达的精度提高2个数量级,同时避免了定轨过程中引入额外的数值误差,可以为后续高精度的行星际深空探测任务的定轨提供参考。     

RADIOASTRON卫星的跟踪定轨情况分析

介绍RADIOASTRON卫星的最新资料数据,如卫星的轨道参数、科学目标等,根据这些资料,进行模拟仿真试验,分析跟踪站对卫星的跟踪覆盖情况.RADIOASTRON卫星利用跟踪站获得的多普勒测速数据进行精密定轨,根据多普勒定轨原理,初步分析卫星的定轨情况.     

Initial results of precise orbit and clock determination for COMPASS navigation satellite system

The development of the COMPASS satellite system is introduced, and the regional tracking network and data availability are described. The precise orbit determination strategy of COMPASS satellites is presented. Data of June 2012 are processed. The obtained orbits are evaluated by analysis of post-fit residuals, orbit overlap comparison and SLR (satellite laser ranging) validation. The RMS (root mean square) values of post-fit residuals for one month’s data are smaller than 2.0 cm for ionosphere-free phase measurements and 2.6 m for ionosphere-free code observations. The 48-h orbit overlap comparison shows that the RMS values of differences in the radial component are much smaller than 10 cm and those of the cross-track component are smaller than 20 cm. The SLR validation shows that the overall RMS of observed minus computed residuals is 68.5 cm for G01 and 10.8 cm for I03. The static and kinematic PPP solutions are produced to further evaluate the accuracy of COMPASS orbit and clock products. The static daily COMPASS PPP solutions achieve an accuracy of better than 1 cm in horizontal and 3 cm in vertical. The accuracy of the COMPASS kinematic PPP solutions is within 1–2 cm in the horizontal and 4–7 cm in the vertical. In addition, we find that the COMPASS kinematic solutions are generally better than the GPS ones for the selected location. Furthermore, the COMPASS/GPS combinations significantly improve the accuracy of GPS only PPP solutions. The RMS values are basically smaller than 1 cm in the horizontal components and 3–4 cm in the vertical component.     

USB-VLBI综合快速确定环月飞行器短弧轨道

2006-05-29~2006-06-02,有关单位利用欧空局(ESA)的SMART-1环月飞行器进行了USB-VLBI综合测定轨试验,其中一个重要目标就是考察环月飞行器的短弧快速轨道确定能力。这里对综合测轨数据的精度进行了评估,分析了不同类型测轨数据组合和定轨弧长对短弧定轨和预报的影响。利用5 d测量数据进行统计:VLBI时延的RMS约为1 m,时延率的RMS约为0.25 cm/s,USB测速的RMS约为3~6 cm/s,测距的RMS约为1~3 m。30 min定轨及预报一个环月轨道周期(5 h)位置的RMS约为250 m,速度的RMS约为15 cm/s。     

Self-consistent treatment of tidal variations in the geocenter for precise orbit determination

We show that the current levels of accuracy being achieved for the precise orbit determination (POD) of low-Earth orbiters demonstrate the need for the self-consistent treatment of tidal variations in the geocenter. Our study uses as an example the POD of the OSTM/Jason-2 satellite altimeter mission based upon Global Positioning System (GPS) tracking data. Current GPS-based POD solutions are demonstrating root-mean-square (RMS) radial orbit accuracy and precision of \({<}1\)  cm and 1 mm, respectively. Meanwhile, we show that the RMS of three-dimensional tidal geocenter variations is \({<}6\)  mm, but can be as large as 15 mm, with the largest component along the Earth’s spin axis. Our results demonstrate that GPS-based POD of Earth orbiters is best performed using GPS satellite orbit positions that are defined in a reference frame whose origin is at the center of mass of the entire Earth system, including the ocean tides. Errors in the GPS-based POD solutions for OSTM/Jason-2 of \({<}4\)  mm (3D RMS) and \({<}2\)  mm (radial RMS) are introduced when tidal geocenter variations are not treated consistently. Nevertheless, inconsistent treatment is measurable in the OSTM/Jason-2 POD solutions and manifests through degraded post-fit tracking data residuals, orbit precision, and relative orbit accuracy. For the latter metric, sea surface height crossover variance is higher by \(6~\hbox {mm}^{2}\) when tidal geocenter variations are treated inconsistently.     

Orbit determination of the SELENE satellites using multi-satellite data types and evaluation of SELENE gravity field models

The SELENE mission, consisting of three separate satellites that use different terrestrial-based tracking systems, presents a unique opportunity to evaluate the contribution of these tracking systems to orbit determination precision. The tracking data consist of four-way Doppler between the main orbiter and one of the two sub-satellites while the former is over the far side, and of same-beam differential VLBI tracking between the two sub-satellites. Laser altimeter data are also used for orbit determination. The contribution to orbit precision of these different data types is investigated through orbit overlap analysis. It is shown that using four-way and VLBI data improves orbit consistency for all satellites involved by reducing peak values in orbit overlap differences that exist when only standard two-way Doppler and range data are used. Including laser altimeter data improves the orbit precision of the SELENE main satellite further, resulting in very smooth total orbit errors at an average level of 18 m. The multi-satellite data have also resulted in improved lunar gravity field models, which are assessed through orbit overlap analysis using Lunar Prospector tracking data. Improvements over a pre-SELENE model are shown to be mostly in the along-track and cross-track directions. Orbit overlap differences are at a level between 13 and 21 m with the SELENE models, depending on whether 1-day data overlaps or 1-day predictions are used.     

天问一号拓展任务对火星低阶重力场解算的潜在贡献分析

天问一号是中国首次独立开展的行星际探测任务,实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测。天问一号正常科学任务阶段环绕以极轨设计为主,与历史火星任务类似,对当前火星重力场模型精度改进有限,因此其拓展任务轨道选取至关重要。通过对极轨圆轨道和近赤道大偏心率轨道进行仿真模拟,分析两种典型轨道构型对现有火星重力场模型改进的可能性,基于不同误差考量仿真解算了对应6个重力场模型。借助重力场功率谱分析,发现在测量噪声为0.1 mm/s的情况下,不论采用极轨还是近赤道轨道,一个月的跟踪数据均可较好地反演出42阶次的火星重力场模型;考虑综合误差影响之后,发现两种轨道对于重力场解算精度类似,其中实施近赤道大偏心率轨道对35阶次以上约束略强。     

由星载GPS双差相位数据进行CHAMP卫星动力学定轨

为了确定CHAMP卫星的轨道，由星载GPS数据和IGS跟踪站的GPS数据构造星地相位双差观测量，利用EOP、SGO、时间等数据，对GPS数据进行预处理，包括钟差改正、模糊度解算和周跳探测、卫星姿态改正、天线偏差和相位中心改正等，采用CHAMP卫星受力摄动模型，根据动力学原理，对CHAMP卫星进行实际定轨。与德国GFZ定轨结果PSO相比，本方法定轨结果径向精度为0．2857m。对于1d的重叠轨道，径向轨道差异的RMS为0．0958m。对于轨道端点比较，径向轨道差异平均为0．0666m。     

VLBI在GEO卫星精密定轨中的应用

影响GEO轨道确定精度的原因主要有两方面:一是高轨卫星的几何跟踪条件受到局部测轨网的限制;二是卫星相对于地面的动力学约束信息较弱。利用一个针对GEO卫星的简化动力法定轨的协方差分析模型,研究了联合测距跟踪网和甚长基线干涉测量(VLBI)对定轨精度的改善情况。指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨精度的主要误差源;当附加一条东西向VLBI基线时,仅利用不定期的少量VLBI高精度数据就能够显著改善测距偏差对轨道的影响,从而保证了卫星的整体位置解算精度。