地球定向参数高精度预报方法研究

<正>地球自转表征了固体地球与大气、海洋、地幔和地核在各种时空尺度上的耦合过程,地球的自转运动可以用地球定向参数(EOP)(主要包括极移两个分量和日长变化)来描述.EOP是地球参考系和天球参考系之间的转换参数,在深空探测、卫星精密定轨和天文地球动力学研究等领域都有重要应用.由于复杂的数据处理过程,空间大地测量技术获取的EOP存在几天至两个星期的延迟.现代空间导航等对EOP预报值的需求日益增长,使得寻求高精度EOP预报方法成为一项需要深入研究的课题.本文     

用lageos1和lageos2激光测距资料联合解地球定向参数

为了响应国际地球自转服务中心(IERS)和国际激光测距服务中心(ILRS)的呼吁，上海天文台天文地球动力学研究中心参加了对激光测距卫星lageos1、lageos2的资料的分析、计算，提交了关于地球定向参数(EOP)(1998—2001)的联合(1ageos1、lageos2)解算结果报告：(SHAO)2002L01，利用更精细化的和改正了的计算EOP的模型，获得了EOP(SHAO)2002L01系列，该系列与同时期的IERS的EOP(IERS)C04相比，符合程度：极移Xp、Yp好于0．35mas，日长变化Du好于0．030ms。     

区域导航卫星精密定轨研究

区域卫星导航系统采用混合星座设计,GEO(地球同步轨道)卫星是系统的重要组成部分,其精密定轨技术也是导航系统的关键技术之一。GEO卫星的高轨特性致使地面跟踪基线长度有限,定轨几何条件不佳;其静地特性致使卫星轨道与钟差存在强相关特性,对于基于伪距的GEO卫星定轨模式,需要星地与站间时间同步技术的支持。因此,如何利用区域卫星导航系统的多种测量技术实现多模式、多层次的导航卫星精密定轨,是一项值得深入研究的课题。     

基于GEO卫星分段测距资料的定轨研究

为了满足工程需求,充分利用观测资料信息,快速提供较好的卫星位置预报精度是必要的。在精密定轨的基础上,结合某GEO(地球同步轨道)卫星连续3天的测距观测资料,研究了使用GEO卫星的不同弧长的观测资料进行定轨和轨道预报的精度。结果表明,每天间隔11小时选取该段观测开始30分钟后的5分钟资料进行定轨,可以得到一个为期2天、精度好于15 m的预报轨道。     

跳步自回归模型在中长期日长变化预报中的应用

利用自回归模型进行日长变化中长期预报时,预报精度逐渐降低.跳步自回归模型在中长期的预报中具有良好的预报精度,且具有较好的预测稳定性.因此,尝试采用跳步自回归模型替代自回归模型进行日长变化预报.最后,利用国际地球自转参数与参考系服务(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)提供的EOP08 C04日长变化序列进行实验,并分析比较两种模型的预报结果.实验结果表明,跳步自回归模型用于改善自回归模型中长期预报精度是可行有效的.     

基于混沌时间序列的Volterra自适应滤波极移预报方法

针对极移复杂的时变特性, 根据混沌相空间坐标延迟重构理论, 提出一种基于Volterra自适应滤波的极移预报方法. 首先, 利用最小二乘拟合算法分离极移序列中的线性趋势项、钱德勒项和周年项, 获得线性极移、钱德勒极移和周年极移的外推值; 其次, 通过C-C关联积分法对最小二乘拟合残差序列进行相空间重构, 并利用小数据量法计算残差序列的最大Lyapunov指数验证其混沌特性, 在此基础上, 构建Volterra自适应滤波器对残差序列进行预测; 最后, 将线性极移、钱德勒极移和周年极移的外推值以及最小二乘拟合残差的预测值相加获得极移最终预报值. 利用国际地球自转服务局(International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS)提供的极移数据进行1--60d跨度预报, 并将预报结果分别与国际地球定向参数预报比较竞赛(Earth Orientation Parameters Prediction Comparison Campaign, EOP PCC)结果和IERS A公报发布的极移预报产品进行对比, 结果表明: 对于1--30d的短期预报, 该方法的预报精度与EOP PCC最优预报方法相当, 当预报跨度超过30d时, 该方法的预报精度低于EOP PCC最优预报方法, 优于参与EOP PCC的其他方法; 与IERS A公报相比, 该方法的短期预报效果较好, 当预报跨度增加时预报精度低于IERS A公报. 预报结果表明该方法更适合于极移短期预报.     

北斗卫星单系统精密定轨方法对比分析

提出了联合使用载波相位和相位平滑伪距实现北斗卫星双差动力法精密定轨,给出了北斗卫星非差动力法和双差动力法精密定轨的数据处理流程,分析了两种方法的异同.结合实测数据,对比了两种方法的实际定轨效果,结果表明:一定测站布局下,利用两种方法,GEO(Geostationary Earth Orbit Satellite)卫星3维精密定轨精度均能达到1 m左右量级,IGSO(Inclined Geosynchronous Earth Orbit Satellite)和MEO(Medium Earth Orbit Satellite)卫星优于0.5 m,3类卫星的径向定轨精度均优于10 cm.较之非差动力法,双差动力法对GEO卫星精密定轨精度具有一定的改善作用,两者在IGSO卫星精密定轨上效果基本相当,但在MEO卫星定轨上,非差动力法结果更优.     

利用GPS观测资料解算地球自转参数

利用22个IGS（International GNSS Service）跟踪站（IGS05）的连续观测资料估算地球自转参数ERP（Earth rotation parameters）（地球自转参数在测绘和卫星导航中是一组关键的参数）,并与IGS地球定向参数EOP（Earth orientation parameters）（UTC 12：00：00）和IERS（International Earth Rotation Service）C04（UTC 00：00：00）同时刻的结果相比较。比较结果表明：与IGS EOP比较,极移在x方向差值的RMS为0.0214 mas,极移在y方向差值的RMS为0.0662 mas,UT1-UTC差值的RMS为0.0260 ms;与IERS C04比较,极移在x方向差值的RMS为0.0203 mas,极移在y方向差值的RMS为0.0354 mas,UT1-UTC差值的RMS为0.0016 ms。以上差别均在IERS C04精度范围之内,我们解算的地球自转参数结果是可信的。     

基于有效角动量函数的多参数极移预报

极移的变化与多种激发息息相关,这些激发包括大气表面压力和大气风、海底压力和洋流、陆地水分布以及气候变暖导致的海平面变化,并且可以通过有效角动量函数来估计.在极移预报中,通过刘维尔方程融合有效角动量函数,并利用最小二乘与自回归组合的方法进行拟合及外推,同时,对自回归模型的可调节参数设置更多的选择,在不同的极移预报阶段,对于不同分量的预报匹配更优的参数,有效地提高了极移的预报精度.在441次1–90 d的极移预报实验中,短中期的预报改善更为明显,在1–6 d和7–30 d的极移X预报结果中,分别有56.9%和53.5%优于国际地球自转服务(International Earth Rotation Service, IERS)的预报;在1–6 d和7–30 d的极移Y预报结果中,分别有66.5%和59.7%优于IERS的预报.整体上,极移Y的预报精度比极移X的预报精度有更多的提升,以IERS的地球定向参数(Earth Orientation Parameters, EOP)产品EOP 14C04 (IAU2000A)为参考,极移X预报在第1 d、第5 d的MAE (Mean Absolute...     

星载GPS相位观测值非差运动学定轨探讨

在几何法、动力学法和减缩动力学法定轨基础上，探讨了星载GPS相位观测值非差运动学定轨方法及其实现程序。该方法无需复杂的力学模型和地面资料，只需LEO(Low Earth Orbit)卫星上的GPS数据和IGS的GPS精密星历产品，它计算简单、方便，能快速、高精度地确定轨道，同时，还能确定一些动力学参数，但没有轨道预报功能；针对法方程系数矩阵比较庞大，提出了矩阵分块、上三角化的参数解算方法，并用CHAMP卫星资料分析了上述方法的定轨精度。     

小倾角LEO多星天基平台光学跟踪GEO精密定轨

针对地基卫星测控系统(Tracking Telemetry and Command, TT&C)系统对地球静止轨道(Geostation-\lk ary Earth Orbit, GEO)卫星在空间和时间覆盖上的局限性, 提出小倾角低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)多星组网天基平台对GEO卫星进行跟踪定轨的方法. 根据空间环境和光学可视条件对仿真数据进行筛选以模拟真实的观测场景, 利用光学测角数据, 使用数值方法对GEO卫星的轨道进行确定. 结果与参考轨道进行重叠对比, 在平台轨道精度5 m、测量精度5rq\rq、 定轨弧长12 h的情况下, 两颗LEO卫星对GEO卫星进行跟踪定轨的精度可达到千米量级, 4颗LEO卫星对GEO目标进行跟踪定轨的精度可达到百米量级. 随着LEO组网卫星数量的增加, 定轨精度得到了较大的提高.     

中国SLR区域网定轨精度的分析

该文利用中国SLR网的实测资料,以SHORDE软件独立解算卫星的轨道和地球定向参数(EOP),并与全球SLR网解算的结果进行了比较。结果表明:中国SLR网30天弧段观测拟合轨道的中误差优于2cm。与全球SLR网解算结果相比,定轨的位置精度可优于50cm;5天弧段测定EOP的精度,Xp、Yp可优于5mas,Dr优于0.2ms。     

SLR资料解算地球自转短周期变化的协方差分析

采用统计定轨理论中的协方差分析方法讨论了卫星激光测距资料解乍地球自转的短周期变化（sub-daily）可达到的内符和外符精度,建立协方差分析的Givens-Gentlemen正交变换算法,并将精密定轨和参数解算理论中的多级复弧法推广到协方差分析中,同时考察不解算地球自转的短周期变化时,其误差对精密定轨和解算地球自转参数的影响。     

IVS分析中心EOP产品及精度评估

介绍了国际测地/天体测量学甚长基线干涉测量服务(International Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Service for Geodesy and Astrometry, IVS)组织机构及下属分析中心概况.系统归纳了目前IVS发布的地球定向参数(Earth Orientation Parameters, EOP)产品类型及不同观测类型的用途.利用2010—2019年公开发布的观测资料,对IVS不同分析中心的EOP日常监测和服务能力进行了评估.通过构造观测台站所构成的几何体积,分析了EOP精度与测站数量、测站网分布的关系,统计了IVS不同观测类型的EOP解算精度.此外,综合公开发布的美国、欧洲等区域网观测数据,分析了不同地区区域网的常规及加强观测结果与IVS结果的差异.结果表明:EOP的解算精度与观测台站的分布密切相关, IVS常规观测确定的极移分量的外符合精度优于0.2 mas,世界时(Universal Time, UT1)与协调世界时(Coordinated Universal Time,UTC)之差(UT1-UTC)的精度在0.015 ms左右,加强观测的UT1-UTC值与国际自转服务组织(International Earth Rotation Service, IERS)的C04之间存在0.02–0.03 ms的差异.区域观测网的精度受观测网形和基线长度制约,总体劣于IVS观测精度,其中,美国甚长基线干涉阵列(Very Long Baseline Array, VLBA)的常规及加强观测结果与IVS全球观测结果最接近.     

多站联合星地时间同步及预报性能分析

无线电双向法通过上行与下行观测量比对实现星载钟与地面站时间同步,比对过程中消除或削弱了绝大多数的公共误差项,因此时间比对精度高。卫星不可视时该方法不能实施,此时卫星钟预报精度只能依赖卫星钟自身的物理性能,不可视弧长越长卫星钟预报精度衰减越快。为了削弱因卫星不可视带来的精度损失,多站联合星地时间同步是一种有效的解决方案。给出了多站联合星地时间同步的基本原理、推导了时间比对模型,并利用COMPASS实测数据分析了多站联合时间同步及预报性能,实验结果表明,多站联合观测有效延长了卫星的可视弧长,为提升卫星钟预报精度提供了数据基础。由于观测设备之间的系统性偏差,各站得到的星地钟差结果可能存在跳变,影响卫星钟预报精度。因此系统性偏差成为制约多站联合星地时间同步性能的关键性因素,系统性偏差的精确标定能确保多站联合星地时间同步及预报精度的大幅提升。     

双星定位系统的近地卫星联合定轨同质异质观测数据加权方法及应用

针对双星定位系统的近地卫星联合定轨中的多源观测数据的融合处理问题,建立了同质观测数据的二步系统误差修正的改进的方差分量估计最优加权方法;分析指出异质观测数据的多源融合测量模型本质为多结构多参数的非线性回归模型,建立了异质观测数据的模型结构特征分析和方差分量估计相结合的最优加权方法.设计了两类观测数据最优加权及联合定轨参数估计的实现算法,并以双星及备份星的距离和同质观测数据以及双星距离和与星敏感器测角的异质观测数据为例,进行了联合定轨仿真实验.理论分析和仿真计算结果表明;对于同质观测数据联合定轨,采用二步系统误差修正的方差分量估计法,可以获得比传统的经验加权算法更优的定轨精度;对于异质观测数据联合定轨,通过引入表征模型结构特征的加权因子,与平均加权方式相比,近地卫星及静地卫星的联合定轨精度均得到一定程度的改善.     

用1998—2001年Lageos-1、Lageos-2卫星激光测距资料估算地球定向参数

利用上海天文台多星定轨的软件（COMPASS），对1998年1月-2001年12月期间的Lageos-1、Lageos-2卫星的激光测距资料重新归算了地球定向参数EOP（COMPASS），并将结果与同期的EOP（IERS）C04进行了比较，得到其外符精度为：极移Xp-O．32mas，Yp-0．34mas，日长变化Dr-0．025ms。     

太阳光压模型中面质比误差对IGSO卫星轨道预报的影响分析

太阳光压是影响高轨卫星轨道精密确定的主要因子之一,这种摄动的有效模制将进一步改进卫星轨道的预报精度.主要对太阳光压模型中面质比误差对地球倾斜同步轨道卫星轨道预报的影响进行了分析.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星位置预报影响仿真结果显示:一天内前16h,x、z分量的预报误差幅度相对较小,y分量误差相对较大;一天内最后8h,x、y、z各分量误差发散明显,但z分量的误差发散程度较大.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星速度预报影响仿真结果显示,一天内,x、y、z各分量的预报误差幅度不超过1 mm/s.     

北斗系统测站钟差短期预报模型比较及其在单星定轨中的应用

北斗卫星导航系统(BDS)地面跟踪站都配置有高精度的氢原子钟,并基于精密定轨数据处理与主站的时间基准进行同步.在卫星轨道机动以及机动恢复期间,通常采用几何法定轨以及单星定轨确定卫星的轨道.而在这两种定轨模式中,需要提供精确的测站钟差作为输入.为提高定轨的实时性,需要对测站钟差进行预报处理.分析了2次多项式模型、附加周期项模型、灰色模型3种模型对北斗地面跟踪站钟差短期拟合和预报的性能,并将钟差预报结果应用于单星定轨,同时还分析了不同预报钟差用于定轨的精度.试验发现,以上3种模型对6个测站钟差的平均拟合精度分别为0.14 ns、0.05 ns、0.27 ns,预报1 h的平均精度分别为1.17 ns、0.88 ns、1.28 ns,预报2 h的平均精度分别为2.72 ns、2.09 ns、2.53 ns.采用3种模型对测站钟差进行预报并用于单星定轨,采用附加周期项的钟差预报模型轨道3维误差最小,不同模型轨道径向精度差异在3 cm以内.以上结果表明,附加周期项的站钟拟合及预报模型在北斗系统机动期间的轨道恢复数据处理具有最好的效果.     

空间VLBI与天文地球动力学

介绍了空间VLBI的精密定轨及其在天文地球动力学应用研究中的最新进展．指出因为空间VLBI的时延和时延率观测量同时涉及到射电参考系、动力学参考系和地固参考系,所以特别适合于参考系的直接连接工作．对为评价参考系连接的精度而发展的协方差分析理论也作了介绍,还分析了将时延和时延率资料用于精密定轨时遇到的困难及其解决办法．