SWARM卫星简化动力学厘米级精密定轨

联合星载GPS双频观测值与简化的动力学模型,在卫星运动方程中引入适当的伪随机脉冲参数,对SWARM卫星进行精密定轨。采用星载GPS相位观测值残差、重叠轨道以及与外部轨道对比等3种方法对SWARM卫星简化动力学定轨结果进行检核。结果表明:SWARM星载GPS相位观测值残差RMS为7~10mm;径向、切向以及法向6h重叠轨道差值RMS均在1cm左右,3个方向均无明显的系统误差。通过与欧空局(ESA)发布的精密轨道进行对比分析,径向轨道差值RMS为2~5cm,切向轨道差值RMS为2~5cm,法向轨道差值RMS为2~4cm,3D轨道差值RMS为4~7cm;SWARM-B定轨精度优于SWARM-A与SWARM-C。因此,采用简化动力学法与本文提供的定轨策略进行SWARM卫星精密定轨是切实可行的,定轨结果良好且稳定,定轨精度达到厘米级。     

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。     

重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨的影响

利用简化动力学定轨的方法,联合Swarm星载GPS观测数据和简化的动力学模型,在确定性运动方程中引入优选的伪随机脉冲参数,实现了Swarm卫星的精密定轨;并详细分析了JGM3、EGM96、EGM2008以及EIGEN-6C4地球重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨精度的影响。实验结果表明,高于40阶次的JGM3、EGM96、EGM2008以及EIGEN-6C4重力场模型均可使Swarm卫星单天解定轨精度优于8 cm,EGM2008与EIGEN-6C4解算的定轨精度优于JGM3和EGM96。     

导航卫星天线相位中心变化估计及对LEO精密定轨影响

精确标定导航卫星发射天线相位中心对于高精度GNSS(globalnavigationsatellitesystem)数据处理十分重要,对于低轨卫星(lowearthorbit,LEO)精密定轨更是如此。本文以GPS为例,首先探讨了一种基于LEO简化动力学精密定轨残差建模的方法,对导航卫星发射天线相位中心变化(phasecentervariation,PCV)进行标定,与IGS08_1745.atx(internationalGNSSservice,IGS)的PCV比较结果表明,本文所得PCV在天底角低于14°部分与IGS的PCV差异约1mm,并且有效地将天底角(nadirangle)拓展至17°;最后采用多种方案讨论了导航卫星PCV对JASON2精密定轨的影响。结果表明,导航卫星PCV可导致1～2cm的定轨误差。其中利用本文所得PCV可实现3DRMS约3cm、径向约1cm的定轨精度,与采用IGS的PCV定轨精度相当,本方法可为北斗卫星发射天线相位中心变化的标定提供参考。     

基于星载GPS的低轨卫星简化动力学定轨研究

利用GRACE卫星2015年1月1日至7日的星载GPS观测数据,基于卫星简化动力学定轨方法和事后批处理定轨模式,利用24小时弧段进行精密定轨。采用多种手段进行评价定轨精度,通过分析,观测值定轨残差稳定在7mm,与德国地学中心(GFZ)发布的事后精密轨道在径向、切向、法向的RMS值分别是3cm,2cm,3cm,利用SLR检核轨道精度优于4cm。结果表明,使用简化动力学定轨可实现低轨卫星的cm级高精度定轨。     

重力场模型对Swarm卫星精密定轨的影响分析

采用星载GPS观测数据与简化动力学定轨方法,在方程中引入伪随机脉冲参数,从而实现对Swarm卫星的精密定轨. 详细分析了不同阶次的GOCO06s地球重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨精度的影响,对比了PGM2000a、EIGEN-2、EGM2008以及GECO重力场模型展开到100阶次时Swarm卫星解算的轨道精度. 结果表明:当GOCO06s地球重力场模型阶次处于30～100阶次时,Swarm-A、Swarm-B和Swarm-C卫星在径向、切向、法向上的定轨精度随着GOCO06s阶次的不断增加而越来越高,而在高于100阶次时,定轨精度基本稳定,且在各方向定轨精度优于3 cm. 此外,采用100阶次GECO、EGM2008和GOCO06s模型对三颗Swarm卫星进行定轨,解算的轨道精度相当,且要高于同阶次其他重力场模型的定轨结果.      

GRACE卫星非差简化动力学定轨研究

本文基于卫星精密定轨的基本理论,研究了GRACE卫星非差简化动力学定轨的方法;并用自行研制的定轨软件CASMORD对实测的星载GPS数据进行非差数据的简化动力学定轨,通过比较GRACE卫星解算的轨道与JPL事后轨道及SLR测距信息,结果表明:利用非差观测值进行CRACE卫星的简化动力学定轨,三维位置精度(3D-RMS)...     

重力卫星的星载GPS精密定轨

利用CHAMP和GRACE卫星的实测数据,研究了重力卫星的精密定轨问题,并针对几何法精密定轨方法给出了一种有效的星载数据编辑策略;在PANDA软件的基础上,处理了101 d的实测数据;通过与不同机构卫星轨道的比较、激光测距观测值检验以及重力场模型恢复等外部检核的方式,分析了卫星轨道的精度.结果显示,本文的简化动力学轨道的精度为2～3 cm;几何学轨道的定轨精度为3～4 cm,适用于重力场模型的解算.     

GPS天线相位中心校正对低轨卫星精密定轨的影响研究

执行各种低轨卫星任务的官方在公布定轨结果的同时并没有公布星载接收机的天线相位中心校正(PCV)信息,而PCV误差是星载GNSS精密定轨必须考虑的主要误差源之一。以GRACE卫星任务为例研究PCV误差对低轨卫星精密定轨的影响,利用GPS观测数据直接估计与相位误差有关的天线相位偏差(PCO)和PCV参数,然后利用K波段测距系统和卫星激光测距仪数据进行定轨评定。     

北斗GEO/IGSO/MEO卫星定轨地面站构型影响分析及其优化

GNSS卫星定轨精度主要取决于卫星动力学模型精度和GNSS几何观测信息。由于北斗GEO/IGSO卫星静地、高轨特性,以及力学模型不精确等原因,地面几何观测信息对轨道改进至关重要。本文讨论了北斗GEO/IGSO/MEO卫星定轨地面站分布影响及优化改进方法。在简化动力学定轨模型基础上,探讨多历元几何观测信息累积对轨道的改进;研究了北斗导航卫星定轨理想几何构型条件,得到影响定轨精度的几何因子,包括测站数量、覆盖范围、分布密度;利用离散概率密度方法研究地面站构型,分析了3类卫星轨道改进机理和优化方法。通过算例,讨论了增加5个中国区域基准站改善离散概率密度指标,优化全球北斗卫星定轨构型,发现GEO和IGSO卫星精度改善最为明显,MEO卫星改善最小;其中GEO卫星提高了10%,IGSO卫星提高了16%,MEO卫星提高了4%。     

利用星载GPS数据确定厘米级Jason-1卫星精密轨道

利用Jason-1卫星星载GPS实测数据,通过非差简化动力学定轨的方法,计算Jason-1卫星2003年1月3日至23日的轨道,并与JPL确定的GPS简化动力学轨道进行对比。结果表明,简化动力法使Jason-1卫星的径向定轨精度可优于±2.5 cm。     

基于星载GPS双频P码的低轨卫星综合定轨方法研究

由于重力场精化、大气探测、海洋测高等科学研究的需要,低轨卫星得到了迅速发展。精密轨道确定是低轨卫星科学任务顺利完成的前提。本文系统分析了基于星载GPS接收机双频P码非差观测值的低轨卫星定轨方法的原理及数学模型,并用CHAMP卫星的实测观测值对各种定轨方法进行了验算,以分析研究各种不同定轨方法的定轨精度。结果表明简化的动力学定轨精度较高,定轨精度在2dm左右;动力学定轨结果最差,在几m左右;而几何法及简化几何法定轨精度相当,约1m左右,定轨精度介于动力学及简化动力学定轨精度之间。     

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。     

Swarm卫星精密定轨与加速度法恢复地球重力场

CHAMP卫星和GOCE卫星分别于2010年和2013年坠落,GRACE卫星仍然超预期运行,随时会坠落,而后续重力卫星计划GRACE Follow-On预计2018年发射,在此期间,Swarm作为唯一的低轨重力观测卫星,将填补重力卫星观测的空白。本文对Swarm卫星精密定轨与加速度法恢复地球重力场进行了研究,实现了Swarm卫星运动学厘米级精密定轨和简化动力学厘米级精密定轨,并基于加速度法恢复了Swarm地球重力场模型。     

Jason-2卫星星载GPS数据cm级精密定轨

Jason-2卫星为测高卫星,需要cm级的轨道精度。利用Jason-2星载GPS数据,采用简化动力学法进行了Jason-2卫星精密定轨。对简化动力学轨道进行重叠轨道对比,径向精度达到1.19cm;与CLASS提供的POE结果对比,径向精度达到5.54cm;与SLR数据进行对比,整体精度达到6.63cm。因此,简化动力学轨道达到了cm级要求,定轨精度良好。     

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。     

JASON-3卫星星载GPS厘米级精密定轨

针对JASON-3卫星精密定轨方法和轨道精度检核的关键问题,该文利用4d的星载GPS观测数据,基于简化动力学定轨方法实现JASON-3精密定轨,并提出采用内部符合和外部符合两种方法对解算轨道进行检核。通过重叠轨道对比,径向、切向和法向轨道精度均在0.5cm左右;将解算的简化动力学轨道与DORIS国际服务组织(IDS)的多任务精密卫星测高、卫星定轨和定位地面部分提供的SSA精密轨道进行对比,4d的轨道精度在径向、切向和法向分别达1.57～2.18cm、2.22～3.55cm和2.60～2.89cm。实验结果表明,JASON-3测高卫星的简化动力学轨道精度达厘米级,满足该卫星对轨道精度的要求。     

伪随机脉冲先验值对低轨卫星简化动力学定轨精度的影响

低轨卫星简化动力学定轨中引入伪随机脉冲可有效提高定轨精度,但伪随机脉冲先验值（时间间隔、先验标准差）会影响伪随机脉冲估值大小,进而影响定轨精度。基于GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星轨道分析伪随机脉冲先验值对单天解简化动力学定轨精度的影响,实验表明,时间间隔从240 min减至6 min,先验标准差从1×10-4mm/s增至1×10-1mm/s,伪随机脉冲总的估值大小由1×10-2mm/s增至1×101mm/s,定轨精度从几十cm提高到2 cm;当先验标准差大于1×10-1mm/s,继续增加先验标准差,伪随机脉冲估值不变,定轨精度不再提高。因此,对于单天解轨道,时间间隔减小至6 min,先验标准差增至1×10-1mm/s,伪随机脉冲估值增大,定轨精度提高;继续增大先验标准差,伪随机脉冲估值不变,定轨精度不再提高。利用不同高度的Swarm卫星验证了该结论的有效性。     

中低轨卫星定轨精度分析

针对轨道高度为１ ０００ ｋｍ 左右的近圆轨道卫星进行动力学定轨分析。通过对大气模型、地球重力场模型、系统误差、测轨站站址误差等对定轨的影响进行分析, 分析了影响中等轨道的主要误差源。该卫星轨道确定精度为外推三圈优于２００ ｍ 。     

GPS卫星轨道及钟差对GRACE卫星定轨精度影响

针对GPS卫星精密轨道和钟差插值对GRACE卫星定轨精度影响进行了分析,分别使用IGS(International GNSS Service)30 s间隔钟差、CODE(the Center for Orbit Determination in Europe)30和5 s间隔钟差以及15 min精密星历进行GRACE卫星定轨实验。结果表明:GPS轨道插值精度可以达到cm级,将15 min GPS轨道插值为30 s间隔利用9阶拉格朗日插值定轨结果精度最高,继续增加阶数定轨精度不会增加;利用CODE钟差计算GRACE非差运动学轨道,码伪距结果精度较IGS产品提高6%,载波相位运动学定轨结果和约化动力学定轨结果精度都提高10%左右;5 s间隔卫星钟数据对定轨结果改进并不明显。采用CODE间隔为30 s钟差进行GRACE运动学定轨的计算精度能满足cm级轨道的应用需求。