基于DORIS数据的JASON-2卫星精密定轨分析

高精度的卫星轨道确定是卫星应用的基础和保证,本文以新一代DORIS接收机观测数据DORIS 3.0的相位观测数据为基础,研究了相位观测数据与传统的DORIS距离变化率数据的转换方法,并以JASON-2卫星为例,基于卫星动力学定轨原理,分析了不同数据类型、不同定轨方案得到的卫星轨道精度.结果表明,1)利用3天弧段的DORIS 2.2格式距离变化率数据和数据文件提供的相位中心偏差改正,或者采用模型对天线相位中心偏差进行改正并同时对地面测站进行偏心改正时,两种方案得到的轨道三维位置精度基本一致,均优于8.7cm,说明新一代DORIS接收机相位中心稳定,变化较小,采用模型进行偏差修正完全能够满足定轨精度要求.2)采用3.0格式的DORIS数据以及天线相位中心偏差修正模型和地面测站偏心改正模型时,得到的卫星定轨精度略有降低,大约为9.2cm;SLR校核残差约为6.5cm(均方根误差).3)采用2.2和3.0两种格式的DORIS数据,利用不同的定轨方案对JASON-2卫星进行精密定轨,均可以达到2cm左右的径向定轨精度,不同的定轨方案对径向定轨精度的影响可忽略不计.因此,对于最关心卫星径向定轨精度的海洋测高卫星而言,采用本文的数据格式转换方法和定轨方案,完全可以满足其定轨任务需求.     

固定非差整数模糊度的PPP快速精密定位定轨

从GPS基本观测模型出发,给出并推导了分离相位小数偏差求解非差整数模糊度的精密单点定位数学模型和算法.利用少量IGS跟踪站组成服务端观测网计算未检校的相位小数偏差改正信息,用于改正用户端接收机的相位观测值,实现了固定非差整数模糊度的快速精密单点定位与定轨.试验结果表明: 利用30 min的地面动态或静态观测数据进行精密单点定位,非差模糊度固定成整数后,其定位结果较PPP浮点解有明显改善,水平方向提高了近一个数量级,可达到1 cm甚至毫米级的精度;高程方向与对流层延迟解算精度也改善了20%~60%.与浮点解相比,固定解能显著改善PPP的定轨精度,仅用15 min的短弧段观测数据,切向与法向的定轨精度可达到1 cm左右;径向方向为3~5 cm左右,较浮点解定轨精度改善了50%~70%.因此,固定非差整数模糊度后的PPP能够满足毫米至厘米级的快速精密定位和定轨的要求,这在GPS(准)实时应用与服务中具有很好的应用前景.     

GRACE卫星精密定轨随机模型精化

合理的随机模型是确定高精度卫星轨道的前提条件,目前广泛应用于地面观测数据的随机模型主要有高度角模型和载噪比模型,本文通过对GRACE卫星实测数据的分析表明上述随机模型均不能很好地描述GRACE卫星星载GPS观测值的噪声特点,为此,文中提出了扩展的高度角模型和扩展的载噪比随机模型.利用自主研发的精密定轨软件,分别采用高度角模型、扩展的高度角模型、载噪比模型、扩展的载噪比模型对GRACE卫星进行了轨道确定.数值结果表明:(1)高度角模型的运动学轨道径向精度为3.4 cm,扩展的高度角模型的为3.3 cm;(2)载噪比模型的运动学轨道径向精度为4.9 cm,扩展的载噪比模型的则为3.4 cm,精度提高了1.5 cm.经比较分析,文中提出的扩展的高度角模型和载噪比模型能更好地描述GRACE卫星观测值噪声特点,并能取得更高的卫星定轨精度.     

基于GNSS网络的实时精密单点定位及精度分析

基于局域GNSS网络,以历元间、星间差分技术实时估计了GPS卫星相对钟差的历元间差值;针对所估计实时精密钟差的特征,推导了实时精密单点定位的估计模型.对所估计得到的相对钟差的历元间差值、实时定位结果分别进行了比较、分析.结果表明,相对钟差的历元间差值与IGS的最终星历相比其精度可以达到0.08 ns;每小时观测的实时静态定位结果在N、E、U三个方向的精度分别为1.47、3.62、4.09 cm.动态模式,实时结果在N、E、U三个方向的精度分别为2.63、3.82、5.20 cm.与采用IGS最终轨道和钟差解算的结果相比较,实时计算结果优于采用精密轨道和精密钟差计算结果.     

联合多代卫星测高和多源重力数据的局部大地水准面精化方法

本文研究了基于泊松小波径向基函数融合多代卫星测高及多源重力数据精化大地水准面模型的方法.分别以沿轨垂线偏差和大地水准面高高差作为卫星测高观测量,研究了使用不同类型测高数据对于大地水准面建模精度的影响.针对全球潮汐模型在浅水区域及部分开阔海域精度较低的问题,引入局部潮汐模型研究了不同潮汐模型对于大地水准面的影响.数值分析表明:相比于使用沿轨垂线偏差作为测高观测量,基于沿轨大地水准面高高差解算得到的大地水准面模型的精度更高,特别是在海域区域,其精度提高了2.3cm.由于使用沿轨大地水准面高高差作为测高观测量削弱了潮汐模型长波误差的影响,采用不同潮汐模型对大地水准面解算的影响较小.总体而言,船载重力及测高观测数据在海洋重力场的确定中呈现互补性关系,联合两类重力场观测量可以提高局部重力场的建模精度.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.     

基于多颗低轨卫星的SLR台站坐标几何解算方法

卫星激光测距（SLR）技术作为卫星精密定轨手段和轨道检核重要方法,激光反射器已经成为重力卫星和测高卫星等低轨卫星的基本载荷.经典的SLR台站坐标是使用动力学方法计算的,本文根据多颗低轨卫星（LEO）多历元的激光观测数据,采用几何方法开展地面SLR测站坐标计算.通过组建低轨卫星群实现对全球激光站的动态观测,为了合理配置不同低轨卫星间观测值权重,削弱低轨卫星群可能存在的系统性偏差,提出采用方差分量估计组合的最小二乘法进行解算.实测结果显示,解算出SLR台站坐标框架解与SLRF2014差异平均值在25.1 mm,外符合精度达到1~2 cm.该方法避免了复杂动力学模型,SLR台站坐标的几何计算方法既可以作为激光测站框架解算手段之一,同时将LEO卫星群作为空间并址站实现不同技术地球参考框架间的融合.     

基于大倾角卫星轨道跟踪数据的月球重力场模型仿真解算

本文针对已有月球探测任务主要为极轨的特点,仿真分析了大倾角轨道卫星跟踪数据在月球重力场解算中的贡献.文中针对极轨道、77°倾角和极轨道结合77°倾角轨道三种情况各三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型仿真解算,通过重力场功率谱、基于解算模型位系数协方差矩阵的重力异常及月球大地水准面误差以及精密定轨等手段对解算模型进行...     

基于"嫦娥一号"跟踪数据的月球重力场模型CEGM-01

本文介绍了"嫦娥一号"月球探测卫星轨道跟踪数据的特征,简要阐述了基于动力法精密定轨解算月球重力场模型的原理及策略.在"嫦娥一号"测控数据精度和覆盖均有限的条件下,独立使用"嫦娥一号"月球探测器6个月的在轨运行双程测距测速跟踪数据,成功得到了50阶次月球重力场模型CEGM-01.通过多种方式,如重力场模型频谱特性、实测数据定轨残差、月球重力异常特征、与地形的相关性及导纳值,对解算得到的CEGM-01月球重力场模型进行了精度评价,分析了相应的物理特性和效果.结果表明了CEGM-01解算过程的有效合理.在此基础上展望了我国月球重力场探测未来可能的发展方向.     

重力场恢复中的基于星载GPS的低轨卫星简化动力学定轨方法研究

低轨重力卫星轨道的精确确定是获得精密地球重力场模型的前提, 而精密重力场模型又是获得高精度定轨结果的保证.本文简述了利用卫星重力方法恢复地球重力场及简化动力学方法确定低轨卫星轨道的数学模型，并简单分析和比较现有的几种重力场模型.用CHAMP实测数据，结合现有的重力场模型，系统分析、研究了不同阶次、不同重力场模型对低轨卫星定轨精度的影响；研究了不同间隔的随机速度脉冲在简化动力学方法中对模型误差的吸收、调节作用.计算结果表明，在定轨中，选择合理阶数的、较精确的重力场模型及合理间隔的随机脉冲参数，不但可以提高计算效率，更能提高定轨精度.     

三种关于引力位及其一、二阶导数计算方法的比较与分析研究

引力位及其一、二阶导数的计算在卫星精密定轨和重力场解算等研究中有着广泛的应用.本文综合已有方法,选择了其中的3种计算方法进行比较研究,即传统Legendre方法,Cunningham直角坐标递推方法,Zhang方法.首先对3种方法重新推导整理,给出较为准确的计算公式,并采用最新月球探测器GRAIL得到的660阶次重力场模型GRGM660PRIM,从计算效率和精度角度对3种方法进行了分析比较,结果表明Zhang方法在效率和精度方面有较高优势.本文结论可为月球卫星精密定轨和重力场解算等相关研究提供重要参考.     

基于服务系统的实时精密单点定位技术及应用研究

讨论了实时精密单点定位的若干关键技术,着重研究了实时精密钟差估计算法;利用全球40个IGS跟踪站连续、实时的观测数据流进行实时精密卫星钟差估计,解算出的实时精密钟差与CODE事后精密钟差具有较好的一致性,二者互差的RMS优于0.2 ns.采用实时估计的卫星钟差和IGS发布的超快速精密卫星轨道进行实时精密单点定位模拟实验,结果表明：经过大约15~30 min初始化后,实时精密单点定位滤波收敛之后水平方向的定位精度优于5 cm,高程方向的精度优于10 cm,能满足在该精度级别的实时用户的定位需求.处理汶川地震期间震区的GPS观测数据,结果表明实时精密单点定位能够探测地震发生期间的地面同震位移.     

基于星载GPS的HY-2卫星高精度精密定轨模拟研究(英文)

HY-2卫星是我国第一颗测高卫星,其径向定轨精度要求厘米量级,搭载了星载GPS接收机。目前HY-2还处于测试阶段,没有公布观测数据。为了确定基于星载GPS的HY-2精密定轨流程及其定轨精度,本文模拟了HY-2卫星星载GPS观测数据,结果表明HY-2星载GPS天线每个历元至少观测7颗GPS卫星。给出了基于星载GPS的精密定轨流程,分别采用简化动力学方法和动态几何法进行了精密定轨实验。对于相位1mm和3mm随机误差的相位观测数据,简化动力学法和动态几何法定轨都能够实现厘米量级的径向精密定轨,几何法定轨精度略低于简化动力定轨。地球重力场模型是影响HY-2卫星精密定轨的重要因素,本文对不同阶次的重力场模型EIGEN2、EGM96、TEG4和GEMT3进行了简化动力学定轨实验,高于50阶次的重力场模型都能够实现厘米级径向精密定轨,主要原因在于大量的高精度星载GPS观测数据和重力场模型精度的提高。     

高频GPS单历元精密定位及GPS地震学的研究进展

本文综述了高频GPS单历元精密定位的发展历史、数据处理、恒星日滤波和空间滤波、以及观测精度和噪声特点,并着重介绍了由此衍生的GPS地震学的发展状况.随着观测技术和单历元数据处理方法的不断提高,特别是多系统GNSS(GPS、GLONASS、Galileo和BEIDOU)的融合以及卫星轨道和卫星钟差改正等高精度定位产品的实时发布,高频GPS精密定位技术将在地震科学领域的应用迎来广阔的发展前景.     

北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估

北斗区域卫星导航系统(也称北斗2代1期)于2012年12月27日正式开始运行,系统由14颗卫星组成,包括5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星.本文初步评估了北斗区域卫星导航系统建成运行后的基本导航定位性能,包括卫星可见性、位置精度衰减因子、伪距和载波相位观测量精度、单点定位和差分定位精度以及模糊度解算性能等.通过实验分析可知:北斗伪距和载波相位测量精度已与GPS处在同一水平,伪距测量精度约为33 cm,载波测量精度约为2 mm;北斗伪距单点定位水平精度优于6 m,高程精度优于10 m,已满足设计要求;北斗区域卫星导航系统已具备独立的双频RTK定位能力,其单历元双频模糊度解算成功率几乎与GPS相当;北斗载波相位差分定位精度与GPS相位差分定位处在同一水平,超短基线情况下,定位精度优于1 cm,而在短基线情况下优于3 cm;北斗与GPS组合定位时,模糊度解算的固定率和可靠性均显著提高;在短基线情况下,北斗/GPS组合载波相位差分动态定位精度相对于单一的GPS定位的改善可达20%以上;北斗单频伪距差分定位精度优于2.5 m,与GPS相比仍存在较大差距,其主要原因可能为北斗GEO卫星伪距多路径误差较大.     

卫星编队用于消除海潮模型混频误差影响的可行性研究

目前时变信号模型的混频误差成为时变重力场解算精度的主要限制之处,本文给出三种适合于重力任务的包含不同方向观测量的卫星编队GRACE-type,Pendulum-type和n-sCartwheel-type,设计两种方案并通过仿真实验研究了卫星编队用于消除海潮模型混频误差影响的可行性.结果表明,当不考虑模型混频误差时,n-s-Cartwheel编队能够为重力场解算提供最好的条件,与GRACE-type编队相比,对重力场解算精度提高达43%;当海潮模型的混频误差成为主要误差源时,利用卫星编队由动力法反演重力场并不能消除混频及提高重力场的解算精度,包含径向观测量的Cartwheel-type编队由于对重力场的高阶变化更为敏感,重力场结果中包含了更多的海潮模型误差的高频信号,误差急剧增大.     

星间加速度解算模式的模拟与分析

低低卫星跟踪卫星的观测量是两低轨卫星的星间距离或星间速度,星间加速度由星间速度通过数值微分导出,用星间加速度作为观测量可以避免解算卫星运动的变分方程,简化观测方程的建立,但数值微分会使观测噪声放大,从而影响重力位的解算精度.为了定量给出星间加速度观测模式的精度,本文分析并模拟验证了数值微分公式计算星间加速度的精度,导出了基于星间加速度的一般形式的观测方程,模拟计算了基于星间加速度的重力位模型.结果表明,采用星间加速度观测模式的解算精度要明显低于星间速度观测模式的解算精度.     

卫星精密轨道综合自适应抗差滤波技术

首先讨论了动力定轨、几何定轨存在的问题, 进而简要介绍了目前广泛使用的Sage自适应滤波和抗差滤波, 研究了一种综合利用Sage滤波和自适应抗差新的滤波技术. 该技术除自适应地估计卫星状态预报向量的协方差矩阵外, 还能自适应地估计任意历元观测量的权. 计算结果也表明, 新的技术不仅计算简单, 而且能有效地控制卫星几何观测异常和卫星动力学模型噪声异常对卫星轨道参数估值的影响.     

一种新型重力测量卫星系统确定全球重力场的性能分析

本文设计了一种高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量相结合的新型重力测量卫星系统,其可在一定程度上发挥卫星重力梯度和低低卫星跟踪卫星两种测量模式各自的优势.基于重力卫星系统指标设计的半解析法,深入分析了不同重力测量卫星系统配置和不同观测量及其不同白噪声水平情况下,新型卫星重力测量模式反演重力场模型的能力.数值模拟分析结果表明：在观测值精度和星间距离相同的条件下,轨道高度是影响重力场反演精度的关键因素;随着星间距离的增大,高频重力场信号反演精度会先提高后降低,轨道高度在200~350 km之间时,星间距离在150~180 km之间时反演精度最优;星间距离变率和卫星重力梯度两类观测值仅在某些精度配置时可达到优势互补,如果某一类观测值精度很高,则另一类观测值在联合解算时贡献非常小或者没有贡献.在300 km轨道高度,若以GRACE和GOCE任务的设计指标1 μm·s^-1/√Hz和5 mE/√Hz来配置新型重力测量卫星系统中星间距离变率和引力梯度观测值的精度,联合两类观测值解算200阶次模型大地水准面的精度比独立解算分别提高1.2倍和2.8倍.如果以实现100 km空间分辨率1~2 cm精度大地水准面为科学目标,考虑卫星在轨寿命,建议轨道高度选择300 km,星间距离变率和卫星重力梯度的精度分别为0.1 μm·s^-1/√Hz和1 mE/√Hz.本文的研究成果可为中国研制自主的重力测量卫星系统提供参考依据.     

顾及多方向观测值权比反演地球重力场的动力积分法

考虑到不同坐标系下各个方向观测值对反演地球重力场的频谱贡献不同,建立了顾及多方向观测值权比的动力积分法,并利用该方法反演了高精度的GOCE HL-SST卫星重力场模型.首先,分析了不同坐标系下各个方向观测值与地球重力场信息的响应关系,其中惯性系(IRF)下X、Z方向的观测值分别对扇谐系数、带谐系数最为敏感,Z方向的解算精度在全频段均略高于X、Y方向;地固系(EFRF)下各个方向的独立解算精度均与能量守恒法的解算精度相当;局部指北坐标系(LNOF)下X、Z和Y三个方向的解算精度依次递减,且Y方向在47阶附近有明显"驼峰"现象.其次,比较了不同坐标系下顾及三个方向观测值权比的加权解算模型,其中加权联合解算模型精度在20至70阶次均明显优于等权解算模型,在带谐项和共振阶次精度提升明显,且LNOF下的加权联合解算精度要优于IRF和EFRF.最后,比较了GOCE和CHAMP卫星的模型解算精度,采用本文计算方法,仅利用2个月GOCE轨道观测值解算的模型精度优于包含更长观测时段信息的AIUB-CHAMP01S和EIGEN-CHAMP03S模型,且略优于ASU-GOCE-2months模型.