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。     

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.     

BDS-3多频非差非组合精密定轨精度分析

针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)五频点观测数据和非差非组合精密定轨理论，介绍了非差非组合观测模型和参数估计方法，提出了利用K均值聚类算法(K-means)进行测站选取的策略，分析并讨论了非差非组合方法的优势.通过K-means和人工经验选取两种测站选取方案，分别使用BDS-3五频，B1C+B2a、B1I+B3I三种频率选择方式，利用30个观测站，对BDS-3中轨道地球卫星(MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)进行精密定轨处理.结果表明：当接收B1C+B2a频点观测数据测站不足时，非差非组合方法可以通过利用五频观测数据增加观测数据数量、优化测站布局，提高定轨精度，与B1C+B2a频率组合相比，五频定轨结果切向(A)、法向(C)、径向(R)和三维(3D)方向均方根(RMS)月均值分别提升0.003 m、0.004 m、0.003 m和0.007m;K-means算法选取的测站与人工经验选取相比，分布更加合理，定轨精度更高，三种频率选择方案MEO卫星3D RMS月均值精度分别提升0.009 m、0.017 m和0.009 m.     

风云三号C卫星星载GPS/BDS实时定轨分析

随着北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的建设与运行,低轨卫星开始搭载GPS/BDS双系统接收机以实现卫星轨道确定.利用风云三号C(FengYun-3C,FY3C)卫星星载GPS/BDS双频伪距与载波相位观测数据,设置4种仿真试验方案,分别进行星载GPS/BDS在轨实时定轨数据处理,重点进行BDS观测数据对伪距实时定轨和载波相位实时定轨的精度影响分析和算法耗时分析.结果表明,采用伪距观测值,可获得1.0m的位置精度和1.0 mm/s的速度精度;采用载波相位观测值,可获得0.3 m的位置精度和0.3 mm/s的速度精度,且引入BDS观测值后,伪距实时定轨精度降低,相位实时定轨精度有所改善.     

基于RT-PPP的低轨卫星实时高精度时间同步方法

实现低轨导航增强的关键前提是实现低轨星座的整网时间同步,本文针对低轨导航增强系统,提出了一种基于实时精密单点定位(RT-PPP)的低轨卫星高精度时间同步方法,以解决低轨星座实时高精度时间同步的问题. 本文分析了在处理过程中存在的各类误差,介绍了低轨卫星采用状态空间(SSR)改正信息通过精密单点定位(PPP)实现实时高精度时间同步方法的处理流程,将此方法应用于气象、电离层与气候星座观测系统(COSMIC)卫星实测数据的处理,并将该方法与采用广播星历伪距的方法以及事后精密星历的方法进行了比较分析. 结果表明:采用SSR改正信息PPP的方式对2颗COSMIC卫星进行GPS双频观测值的解算,得到的轨道误差的标准差在分米级,钟差误差标准差分别在2.4 ns和2.3 ns左右,可以达到纳秒级. 通过对不同方法解算的结果进行比较可以看出,采用SSR改正信息PPP的方法明显优于采用广播星历伪距方法的解算精度,且与事后精密星历PPP的方法解算精度相当.      

卫星激光反射器质心改正的概率模型

卫星激光测距通过测量激光脉冲在地面观测站和卫星之间的往返时间来计算卫星到测站的距离。激光反射器位置到卫星质心的距离即质心改正(CoM)需要精确标定,以提高卫星测距精度。卫星激光反射器的质心改正误差主要由角反射器分布效应引起,质心改正与激光束的入射角、角反射器排列结构和地面测距站位置有关。卫星角反射器对光子的反射概率与反射器的有效雷达截面积成正比,本文对角反射器的有效雷达截面面积进行拟合,建立以入射角为随机变量的概率模型,计算了球形LAGEOS-1/2的质心改正值,基于长期观测数据使用不同质心改正值进行了精密定轨,分析了其加权残差变化。同时,对BeiDou-M3的角反射器为平面阵列的情况进行了讨论,计算了质心改正值,用一个月的数据进行精密定轨。试验结果表明,基于概率理论的模型在精密轨道中与国际激光测距服务(ILRS)公布的结果相当,说明概率模型适用于球型卫星或非球型卫星。     

HY-2卫星星载DORIS和SLR的cm级综合精密定轨仿真研究

为了实现cm级HY-2卫星精密定轨,提出了基于DORIS和SLR的HY-2卫星综合定轨方法。模拟了DORIS信标站与SLR跟踪站的观测数据,确定了定轨方法和流程,探讨了分别赋予不同观测精度时各定轨精度,并分别分析了不同的信标站分布以及两种观测技术综合精密定轨中权对定轨精度的影响。实验表明,观测精度的高低直接影响着单一技术的定轨精度;优化信标站的分布,可明显提高定轨精度并节约计算时间;多种技术综合定轨时,合理分配各观测量的权可使定轨精度达到最佳;分别赋予DORIS和SLR观测量0.3mm/s和10mm的权,则使HY-2卫星定轨精度达到cm级。     

VGOS超宽带观测的首次UT1测量数据处理及分析

在国际甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry, VLBI）大地测量与天体测量服务组织协调下,首次利用隶属于VLBI全球观测系统（VLBI global observing system, VGOS）的美国Kokee和德国Wettzell观测站及并置的传统VLBI观测站开展了世界时（universal time, UT1）联合测量试验,观测数据在上海VLBI中心进行了干涉处理。结果表明,VGOS超宽带观测系统的UT1测量精度约为7 μs,并置基线的传统S/X双频系统测量精度约为14 μs,VGOS系统的UT1解算结果优于S/X系统。通过试验建立了从相关处理、相关后处理到UT1参数解算的完整数据处理流程,验证了上海VLBI相关处理机的VGOS数据处理能力,为承担国内和国际VGOS观测数据的相关处理任务奠定了基础。     

用单频GPS数据实现低轨卫星动力学法定轨研究

采用星载GPS双频观测数据,低轨卫星定轨的精度可以达到厘米级。采用GRACE A卫星的星载GPS观测数据,分别基于单频数据(C/A和L1)的半合组合观测量和双频数据的消电离层组合观测量,采用动力学低轨卫星定轨方法,解算了7d的GRACE A卫星轨道,解算结果与德国地学中心发布的快速科学轨道进行对比分析,并通过卫星激光测距观测数据进行检核。结果表明,通过半合组合观测量定轨得到的结果,在径向R、切向T、法向N方向的均方根误差平均值分别为7.9cm、20.1cm和5.5cm,三维定轨精度平均为22.8cm,利用卫星激光测距数据进行检核,残差平均值为-1.8cm,均方根误差为8.6cm。证明了采用单频观测数据进行定轨的可行性,并且定轨精度可以达到一般低轨卫星定轨精度的要求。     

哨兵1号和高分三号SAR数据海浪谱反演精度评估

合成孔径雷达SAR (Synthetic Aperture Radar)是一种重要的海浪观测手段,研究其SAR图像海浪谱反演结果的精度,是其广泛应用于海浪观测的前提。欧洲航天局ESA (European Space Agency)的哨兵1号卫星(Sentinel-1)和中国自主研发的高分三号卫星(GF-3)是目前在轨运行的两颗SAR卫星,利用两颗卫星的SAR数据反演海浪和风场参数是目前国内外研究团队最为关注的问题之一。本文重点研究并对比了哨兵1号卫星SAR IW模式(Interferometric Wide swath)和GF-3卫星SAR条带模式数据海浪谱反演的精度。选取印度洋海上丝绸之路海域和太平洋、大西洋近岸海域不同海况下的两卫星SAR数据进行海浪参数反演,将反演结果分别与欧洲天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasts)的ERA-5数据和浮标海浪数据进行了对比,结果显示,与ERA-5数据对比,Sentinel-1卫星反演有效波高和平均波周期的均方根误差RMSE(Root Mean Squared E...     

嫦娥一号绕月探测卫星精密定轨实现

对探月任务精密定轨技术进行了论述,分析了轨道确定过程中的关键技术问题。基于SMART-1探月卫星测轨数据,对精密定轨软件系统进行了测试验证,3 d数据弧段定轨结果精度优于百米。在嫦娥一号任务实施过程中,各轨道段轨道的计算结果准确,卫星成功进入环月使命轨道,特别是原计划三次中途修正仅执行了一次,为卫星节约了宝贵的燃料。与外部星历互差的结果表明,整个任务阶段定轨精度在百米量级,环月段定轨精度约数十米。实施结果表明,该文给出的定轨技术理论正确,关键技术解决有效,完全满足探月任务工程测控和科学研究的需要。     

VLBI在探月卫星定位中的应用分析

中国实施的"嫦娥"探月工程中,探月卫星的定轨测控系统由我国现有的S频段航天测控网(USB)和甚长基线干涉测量(VLBI)系统组成。系统中,VLBI技术主要为绕月卫星定轨提供卫星的角位置。本文分析了在探月项目中,VLBI单点定位的必要性。探讨了VLBI技术用于探月卫星单点定位的基本原理及其实现方法。通过算例对模拟数据进行处理,检验了方法的正确性。对结果进行分析,得出一些结论。     

低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析

为提升区域地面监测站条件下北斗卫星定轨精度,面向日益丰富的北斗星载数据和即将实现的星间链路技术,提出了联合运用地面监测站数据、低轨卫星星载数据与星间链路数据的北斗卫星精密定轨方法。讨论了低轨卫星星载数据与星间链路数据增强对于导航卫星精密定轨的影响,重点从低轨卫星数量、轨位分布及星间链路等方面进行了仿真分析。结果表明:加入少量低轨卫星与区域监测站联合定轨即可显著提高导航卫星定轨精度约73%,钟差解算精度略有改进但不明显;同等数量且均匀分布的低轨星座,其轨位分布对联合定轨精度影响不大;加入星间链路数据可大幅提升导航卫星定轨精度,且改进效率高于低轨卫星。     

小型化LEO星座与BDS-3全星座联合定轨仿真

受限于区域监测站及地球静止轨道(geosynchronous earth orbit,GEO)卫星的静地特性,北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)定轨精度较差,加入低轨卫星(low earth orbit,LEO)星载数据可显著提升定轨精度.使用一种由24颗L...     

不同姿态控制模式下的北斗卫星定轨策略研究

北斗卫星的姿态控制分为动态偏置、零偏置和连续动偏3种，不同类型卫星、不同姿态控制模式、不同时段下定轨精度不一致，影响了北斗系统的连续性。详细研究了北斗不同类型卫星在不同姿态控制模式下的最优定轨策略，并基于实测数据进行试验，结果表明，BeiDou-2 IGSO（inclined geosynchronous orbit）/MEO（medium earth orbit）卫星采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM（extended CODE model）5参数模型相结合的方法定轨精度最优，零偏期间，用户等效距离误差值为2.08 m，全球激光评估轨道视向精度约为1 m；BeiDou-3 IGSO/MEO卫星采用常规多星定轨和ECOM 5参数模型相结合的方法定轨精度最优；连续动偏期间，用户等效距离误差值为1.22 m，全球激光评估轨道视向精度为0.23 m，与动偏期间精度一致；GEO（geostationary earth orbit）卫星在春秋分附近时段采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM 9参数模型相结合的方法定轨精度最优，用户等效距离误差值为0.72 m。     

Swarm卫星星载GPS精密定轨方法及精度分析

Swarm星座是ESA的首个用于测量来自地球核心、地幔、地壳、海洋、电离层等区域磁场信息的对地观测卫星星座。而高精度的轨道信息正是其有效利用卫星载荷完成上述任务的前提条件。目前国内关于Swarm卫星精密定轨的研究较少,为此建立并推导了Swarm卫星精密定轨的动力学模型、观测模型以及它们之间的数学关系,详细给出了Swarm卫星精密定轨模型与实现过程。针对Swarm卫星精密定轨中姿态数据的处理问题提出了相应的解决方案。利用Swarm卫星星载GPS实测数据,采用约化动力学定轨方法进行Swarm卫星精密定轨实验。通过轨道衔接点位置差异、与外部精密轨道比较以及SLR验证等精度评定方法分析表明:基于星载GPS的Swarm卫星约化动力学定轨各方向的精度都优于3 cm。     

监测站时间同步条件下的单星定轨

基于伪距及载波相位观测量的COMPASS-M1卫星精密定轨中轨道误差与钟差分离问题是制约卫星定轨精度提高的主要因素之一。本文首先介绍了基于监测站时间同步条件下精密定轨原理,然后通过对卫星钟差建模,采用动力学方法利用国内五站实测数据对COMPASS-M1卫星进行了轨道确定,并利用轨道重叠弧段法及实测激光数据对定轨精度作了检核。结果表明,基于目前监测站时间同步技术,利用相位平滑伪距定轨能达到10m以内精度。     

星载加速度计增强北斗自主定轨性能

卫星自主定轨是提高全球卫星导航系统(GNSS)可靠性、稳健性、完整性和生存能力的重要保证。新一代的北斗卫星已可以进行星间链路测距,从而达到提高卫星全球跟踪能力以及实现整个卫星导航系统的自主定轨。然而由于卫星运行会受到多种摄动力的影响,如果不能对这些摄动力进行精密的改正,在没有地面或其他天体提供绝对约束的条件下,导航系统会随着自主定轨时间的延长出现星座整体旋转。卫星所受摄动力分为保守力和非保守力两部分:对于保守力,如地球非球形摄动、潮汐摄动、太阳月球和其他三体引力,现在已有的力学模型可以很精确地进行改正;而非保守力(如太阳光压摄动),则难以用精确的模型进行改正,因此成为影响卫星定轨精度的主要因素。星载加速度计可以高精度地测量非保守力,并已成功应用于重力卫星(CHAMP、GRACE、GOCE)的重力场反演与大气研究中。本文研究主要探讨采用星上加速度计提高北斗卫星自主定轨精度和延长自主定轨时长的可行性。利用模拟的卫星轨道和星间链路数据,以及现有的星载加速度计误差模型,对北斗卫星系统分别使用星间链路数据和星间链路与加速度计组合数据,进行自主定轨与精度评定。计算结果表明,使用星间链路与星载加速度计数据进行自主定轨,较单纯使用星间链路数据精度具有明显改进。在模拟的星间测距观测数据具有0.33m随机噪声以及分米级系统误差,自主定轨两个月的情况下,联合使用加速度计数据的自主定轨IGSO和MEO卫星精度为分米级,而仅使用星间链路数据的定轨精度约为3~6m,比使用加速度计精度低一个量级。     

基于预报钟差的轨道快速恢复

我国北斗卫星导航系统由GEO/IGSO/MEO混合星座构成,基本每7~10 d就会有一颗GEO卫星或IGSO卫星进行轨控操作。从卫星轨控开始,卫星存在5~6 h的不健康时期。造成机动卫星长期不健康的关键因素之一在于卫星和测站钟差数据的积累周期较长。本文提出了一种基于预报钟差的轨道快速恢复算法,通过结合星钟和站钟预报压缩机动卫星定轨观测数据积累的时间,从而缩短卫星恢复所需时间。6组机动试验结果表明:采用预报钟差策略在快速恢复初期的前几个小时对轨道预报的贡献尤为显著,对第1组定轨URE预报贡献最大可达84.82%。从3~8 h期间6组定轨平均情况来看,采用优化策略的预报URE,C01平均降低了26.06%,C04平均降低了31.58%,C03降低了9.95%。经测试该方法至少能将卫星不可用时间压缩1 h,对北斗系统建设具有重要工程应用价值。