火星探测器精密定轨软件研制及实测数据处理

研发了一套具有自主知识产权的火星探测器精密定轨及动力学参数解算软件系统，介绍了软件的设计思路与基本结构。对2009年8月中国甚长基线干涉测量网跟踪的火星快车号三程多谱勒数据和相同弧段欧洲空间局的双程多谱勒数据进行了处理。结果表明，对于三程多谱勒数据，精密定轨后的残差处于0.079 mm/s的水平，轨道与比利时皇家天文台发布的火星快车精密轨道（精度20~25 m）最大差距小于100 m；对于欧洲空间局双程多谱勒数据，精密定轨后的残差处于0.067 mm/s的水平，轨道与精密轨道最大差距小于10 m。对火星快车跟踪数据的处理结果表明该软件可靠。     

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。     

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。     

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。     

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。     

月球探测器精密定轨软件研制与四程中继跟踪测量模式研究

正本文以我国即将发射的"嫦娥五号""嫦娥四号"任务为背景,系统性地讨论了行星探测器精密定轨和重力场解算的原理、技术和具体算法,完善月球卫星精密定轨的各个细节,开发了一套具有自主知识产权的月球探测器精密定轨与重力场解算软件系统LUGREAS;提出了基于月球着陆器-轨道器的四程中继跟踪测量模式,定量计算了该跟踪模式对轨道器精密定轨和着陆器精密定位的贡献。具体研究内容包括:     

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。     

木星探测器Juno精密定轨分析及低阶引力场解算

随着中国深空测控技术的进步和深空探测计划的推进,木星探测计划已经进入日程,木星探测器的精密定轨和木星的引力场的解算是木星探测中的重要研究内容。首先给出了木星探测器的坐标系统和动力学模型,并利用已公布的朱诺号木星探测器精密星历数据进行验证,动力学拟合结果与参考星历的位置偏差在10 m量级,速度偏差小于6 mm/s;然后利用深空多普勒测量模型处理已经发布的朱诺号无线电测量数据进行精密定轨,结果与参考星历的差距在数百米量级;最后利用仿真数据验证引力场系数解算的可靠性,并利用朱诺号探测器4个近木点附近的实测数据解算引力场系数,得到了截至8阶的带谐项系数。     

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。     

Swarm系列卫星非差运动学厘米级精密定轨

采用2015年5月24日—30日的Swarm星载GPS双频观测数据,基于Melbourne-Wübbena(MW)和消电离层线性组合,在精密单点定位技术的基础上,采用批处理最小二乘估计法对不同轨道高度的Swarm系列卫星进行非差运动学精密定轨。利用星载GPS相位观测值残差、与欧空局发布的简化动力学轨道对比,以及SLR检核3种方法对Swarm系列卫星非差运动学定轨结果进行精度评估。结果表明:①Swarm系列卫星星载GPS相位观测值残差RMS为6~7 mm;②与欧空局发布的简化动力学轨道进行求差,径向、切向及法向轨道差值RMS为2~4 cm;③与欧空局发布的运动学轨道进行求差,径向、切向及法向轨道差值RMS为1~2 cm;④SLR检核结果表明Swarm-A/B/C卫星轨道精度为3~4 cm。因此,采用非差运动学定轨方法与本文提供的定轨策略进行Swarm系列卫星精密定轨是切实可行的,定轨精度为厘米级。     

GPS-based precise orbit determination of the very low Earth-orbiting gravity mission GOCE

 A prerequisite for the success of future gravity missions like the European Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) is a precise orbit determination (POD). A detailed simulation study has been carried out to assess the achievable orbit accuracy based on satellite-to-satellite tracking (SST) by the US global positioning system (GPS) and in conjunction the implications for gravity field determination. An orbit accuracy at the few centimeter level seems possible, sufficient to support the GOCE gravity mission and in particular its gravity gradiometer. Received: 21 January 2000 / Accepted: 4 July 2000     

重力卫星星载GPS简化动力学精密定轨

利用GRACE和SWARM重力卫星星载GPS观测数据,基于简化动力学方法进行精密定轨,通过相位观测值残差分析、重叠轨道对比和科学轨道对比进行轨道精度检核。GRACE和SWARM卫星相位观测值残差RMS值稳定在6 mm左右,重叠轨道对比差值RMS在径向、切向和法向均优于1.24 cm;通过与GFZ和ESA提供的GRACE卫星与SWARM卫星精密轨道对比,GRACE卫星简化动力学轨道在R,T,N方向的轨道精度分别达到1.3 cm、2.1 cm和1.3 cm;SWARM卫星简化动力学轨道在径向、切向和法向的轨道精度分别达到0.8 cm、1.3 cm和1.6 cm。实验表明,基于简化动力学方法,GRACE和SWARM卫星定轨精度均到达厘米级。     

星间单差模糊度固定的低轨卫星精密定轨精度分析

高精度、高可靠性的卫星轨道是实现低轨卫星精密应用的重要前提,而模糊度固定技术是提高卫星定轨精度的关键途径。研究了基于整数钟的星间单差模糊度固定原理和方法,并利用2019年4月—5月的两颗GRACE-FO（gravity recovery and climate experiment follow on）卫星数据（GRACE-C/D）系统评估了固定解对低轨卫星简化动力学和运动学定轨的精度提升效果。结果表明,两颗卫星简化动力学和运动学定轨的宽巷模糊度固定率均达到99%,而窄巷模糊度固定率在95%左右。对于简化动力学定轨,GRACE-C/D固定解轨道的重叠轨道的3D均方根误差（root mean square error, RMSE）分别从7.1 mm和7.4 mm减小到了4.2 mm和3.6 mm;卫星激光测距（satellite laser ranging, SLR）残差标准差（standard deviation, STD）分别从15.9 mm和14.4 mm降低到了10.8 mm和11.0 mm,精度提升了32%和24%;K波段测距残差RMSE从8.0 mm减小到2.9 mm,进一步表明固定解还能有效提升低轨卫星间相对位置精度。对于运动学定轨,与精密科学轨道产品互差3D RMSE,浮点解分别为37.5 mm和36.4 mm,固定解分别为27.7 mm和25.5 mm,精度提升约28%,SLR残差STD也减小了约20%。     

Phase center modeling for LEO GPS receiver antennas and its impact on precise orbit determination

Most satellites in a low-Earth orbit (LEO) with demanding requirements on precise orbit determination (POD) are equipped with on-board receivers to collect the observations from Global Navigation Satellite systems (GNSS), such as the Global Positioning System (GPS). Limiting factors for LEO POD are nowadays mainly encountered with the modeling of the carrier phase observations, where a precise knowledge of the phase center location of the GNSS antennas is a prerequisite for high-precision orbit analyses. Since 5 November 2006 (GPS week 1400), absolute instead of relative values for the phase center location of GNSS receiver and transmitter antennas are adopted in the processing standards of the International GNSS Service (IGS). The absolute phase center modeling is based on robot calibrations for a number of terrestrial receiver antennas, whereas compatible antenna models were subsequently derived for the remaining terrestrial receiver antennas by conversion (from relative corrections), and for the GNSS transmitter antennas by estimation. However, consistent receiver antenna models for space missions such as GRACE and TerraSAR-X, which are equipped with non-geodetic receiver antennas, are only available since a short time from robot calibrations. We use GPS data of the aforementioned LEOs of the year 2007 together with the absolute antenna modeling to assess the presently achieved accuracy from state-of-the-art reduced-dynamic LEO POD strategies for absolute and relative navigation. Near-field multipath and cross-talk with active GPS occultation antennas turn out to be important and significant sources for systematic carrier phase measurement errors that are encountered in the actual spacecraft environments. We assess different methodologies for the in-flight determination of empirical phase pattern corrections for LEO receiver antennas and discuss their impact on POD. By means of independent K-band measurements, we show that zero-difference GRACE orbits can be significantly improved from about 10 to 6 mm K-band standard deviation when taking empirical phase corrections into account, and assess the impact of the corrections on precise baseline estimates and further applications such as gravity field recovery from kinematic LEO positions.