低轨导航增强卫星的轨道状态型星历参数设计

导航增强卫星从高轨拓展到低轨,需要设计可靠的低轨道LEO广播星历参数。GLONASS广播星历模型能够利用9个状态参数高精度描述30min内中高轨卫星的摄动运动,但不能直接用于低轨卫星。为了适应LEO的摄动力的短期快变化,设计了基于轨道状态型的21参数广播星历模型。分析了低轨卫星主要摄动力的短期变化规律,选取了二次多项式和基于轨道半周期的三角函数来补偿大气阻力等主要摄动在3个方向上的累计。基于星历拟合试验讨论了拟合参数个数、拟合时段和数据间隔对500~1200km轨道高度的LEO圆轨道的拟合精度影响。试验表明,当拟合时段为20min(约1/5个轨道周期)时,轨道高度大于700km的近圆轨道,拟合用户距离误差(FURE)精度优于0.05m;高度为1000km时,FURE平均精度达到0.03m。     

GPS卫星广播星历轨道误差的探讨

对GPS卫星播发的广播星历进行分析,利用获得的开普勒轨道参数和轨道摄动修正量计算卫星轨道坐标,并与精密星历的轨道坐标进行比较,探讨广播星历的轨道精度.     

风云卫星遥感数据高精度地理定位软件系统开发研究

为了适应风云气象卫星遥感数据高精度地理定位要求,在研究和比较分析现有环境气象卫星遥感数据地理定位方法,尤其对其中关键的轨道计算模型进行对比研究之后,我们使用变阶变步长多步卫星轨道数值计算模型(DE/DEABM)进行气象卫星轨道计算,研制开发了新一代卫星轨道计算及遥感数据地理定位软件系统.该软件系统中卫星轨道数值积分计算模型包含了多项摄动因素计算,特别是对低轨卫星影响较大的因素,其中地球的球形引力项使用了高精度高阶EGM-96地球引力场模型,提高了非球形引力摄动计算精度,另外还考虑了太阳、月亮引力项,辐射光压摄动和大气摄动因素,使得轨道计算精度大大提高.在遥感数据定位算法开发工作中,以中国2002年5月发射的风云1号D星10通道扫描辐射计和计划2008年上半年发射的风云3号A卫星中分辨率光谱成像仪等遥感仪器为对象,比较详细地分析和研究了探测器、焦平面、主光学系统和扫描镜等遥感仪器几大关键部件的光学几何关系,提高了坐标转换系统计算精度.经过对风云1号D星多天逐日的轨道计算和定位计算试验,结果表明该软件系统24h风云1号D星轨道计算卫星矢径精度可达到几十厘米至几十米,较原来平根数分析解方法1000m左右精度有显著量级的提高.同时,风云1号D星遥感数据地理定位精度达到星下点1个像元.     

关于广播星历轨道误差的探讨

通过利用广播星历中的开谱勒轨道参数与轨道摄动修正量计算卫星轨道坐标与精密星历的轨道信息进行比较 ,探讨广播星历的轨道精度。     

星载加速度传感器的在轨运动影响

加速度传感器测量卫星所受非引力加速度的精度是利用该技术精确恢复重力场的重要指标。根据卫星运动理论 ,给出了轨道升交点赤经摄动、近升距摄动、卫星运动、坐标轴旋转引起的加速度性质以及相应表达式。针对CHAMP卫星轨道 ,讨论了各项的影响量级     

GPS卫星轨道改进与精密定位

使用GPS卫星进行定位的精度,除其它各种因素外,还要受到已知轨道精度的限制。当GPS星历精度对民用用户降低时,轨道改进便具有更大的重要性。作者在此提出了一个改进轨道精度的方法,该方法利用摄动理论来描述轨道特性。为了改进轨道,我们对卫星通过的初始条件进行了修正,修正后的轨道又可转而用来求得精密定位成果。本文给出了精密轨道改进和精密定位的数学模型及导出的平方差方程式,还概括了在加拿大上空进行局部卫星轨道改进的模拟方案,并给出了这项研究的结果。     

DORIS实时定轨中的频偏估计方法研究

针对DORIS测站和卫星USO频率偏差引起的测量数据不准确的问题,提出了一种频偏估计方法,消除了测量数据中的最大误差项。在摄动加速度模型仅考虑40×40阶重力场、固体潮和日月三体引力的条件下,利用该方法处理了SPOT-5卫星10d的测量数据。结果表明,实时轨道的径向精度优于30cm,与SPOT-5卫星的实时轨道精度相当;3D精度优于80cm,达到了SPOT-5卫星的设计精度。     

单中继星单低轨卫星的联合定轨精度分析

针对由单中继星和单低轨卫星组成的联合定轨系统,给出了系统内不同轨道卫星摄动项的选取方案和卫星间的可见性判别模型。在模拟出含有白噪声的四程测距观测数据文件的基础上,研究了测距精度和采样弧段对联合定轨中高、低轨卫星定轨精度的影响。得出如下结论：联合定轨更有利于对低轨卫星的轨道改进;同样的采样时间条件下,测距噪声越小定轨精度越高,并且采样时间越短它的影响越明显;同样的测距噪声条件下,所用资料的采样时间越长精度越高,但当测距精度很高时,TDRS达到最好定轨精度所需的采样时间相应有所缩短。并在定出轨道后进行了轨道预报,分析了轨道预报的趋势及精度。     

单中继星单低轨卫星的联合定轨精度分析

针对由单中继星和单低轨卫星组成的联合定轨系统,给出了系统内不同轨道卫星摄动项的选取方案和卫星间的可见性判别模型。在模拟出含有白噪声的四程测距观测数据文件的基础上,研究了测距精度和采样弧段对联合定轨中高、低轨卫星定轨精度的影响。得出如下结论:联合定轨更有利于对低轨卫星的轨道改进;同样的采样时间条件下,测距噪声越小定轨精度越高,并且采样时间越短它的影响越明显;同样的测距噪声条件下,所用资料的采样时间越长精度越高,但当测距精度很高时,TDRS达到最好定轨精度所需的采样时间相应有所缩短。并在定出轨道后进行了轨道预报,分析了轨道预报的趋势及精度。     

GPS卫星精密定轨中的摄动力分析

在介绍各种摄动模型的基础上,将IGS提供的SP3精密星历作为几何轨道,应用不同的摄动模型进行几何轨道平滑,求得卫星轨道的动力学参数,再用动力学参数积分求定卫星的轨道,将其与IGS提供的SP3精密星历进行比较,从而详细分析每一种摄动力对GPS轨道影响的量级,而且说明建立的GPS卫星轨道的摄动模型是比较准确的。     

GEO卫星Hill方程的分析型解法

提出并实现了一种求解静地轨道GEO(geostationary orbit)卫星Hill方程摄动解的分析型方法。根据地固坐标系下GEO卫星运动的特点,在其定点处把摄动力进行泰勒展开,通过选择特定的参考轨道获得了GEO卫星的地球扁率摄动解。在此基础上,成功地将拉普拉斯变换运用于GEO卫星的Hill方程,得到了一组可用于求解摄动分析解的递推积分公式。通过逐次趋近的方法,利用这组积分公式可以有效地实现由低阶解推求高阶解。     

复杂结构卫星太阳辐射压模型的建立与分析

在卫星动力学定轨中,太阳辐射压是一个重要的摄动因素,特别是对中高轨卫星的轨道。为了消弱太阳辐射压的影响,已经建立有诸多太阳辐射压模型,对应方法主要包括解析和经验两类,但各有优缺点和适用范围。基于现有方法的优点和卫星实际运行环境,对复杂结构卫星建立了一种结合预先解析法采样和运行后自适应改正的联合方法以趋近卫星真实辐射压环境的太阳辐射压模型;并对该模型进行了模拟计算。结果表明,该模型在轨道计算和自校正过程均取得了良好的效果。     

基于 Collocation 积分的 GPS 轨道仿真

在对G PS仿真的理论实施基础上,为方便求取卫星任意历元的位置、速度、加速度和加加速度,介绍了轨道仿真中涉及的摄动力模型,详细讨论了轨道仿真中初值的确定及轨道外推的方法,选用Collocation积分方法实现了轨道仿真,利用附加确定性参数的方法提高了模型精度,满足了1米精度的定轨要求。     

动力学法的卫星重力反演算法特点与改进设想

根据卫星轨道计算的积分公式,导出了以参考轨道为初值的线性化解算地球重力场的观测方程,给出了其系数矩阵的积分计算公式,阐明了动力学法本质上是观测值相对于参考轨道的线性摄动方法,因此其变分方程力模型参数的偏导数初值必定为0。在此公式的基础上,分析了动力学法观测方程的主要特点,即线性化误差随轨道弧段增长而快速增大,其观测方程的性质也随弧段增长而变差,且积分计算误差将是下一代重力卫星数据处理的重要瓶颈问题。提出了进一步提高动力学法重力反演精度的方法,主要归结为:改进以几何轨道为初值的线性化方法以减小线性化误差,改变参数化方式以改善观测方程的性质,综合应用解析公式与数值积分公式以提高轨道计算精度。     

导航卫星速度和加速度的计算方法及精度分析

导航卫星自身的速度和加速度的计算是利用GNSS解算用户速度和加速度的前提和关键,其计算精度也直接影响解算结果。系统分析和总结了基于广播星历和精密星历的导航卫星速度和加速度的计算方法,包括：(1)基于广播星历的公式法;(2)基于导航卫星位置序列的数值差分法;(3)基于导航卫星位置序列的解析差分法。首先在基于广播星历的公式法中,推导了Kepler根数型、GEO型、位置-速度型等三类广播星历计算卫星速度和加速度的解析计算公式,通过比较表明：(1)广播星历解析公式总体计算精度较低;(2)位置-速度型广播星历的加速度计算精度高,而Kepler型广播星历的速度计算精度高;(3)高轨道卫星的速度、加速度计算精度优于中轨卫星。进一步分析了基于精密星历的数值差分法和解析差分法的卫星速度和加速度的计算方法,两种方法的比较研究表明,解析差分法虽然在计算效率上具有优势,但利用短期位置序列建立的解析模型难以表达卫星的真实轨道特征,导致计算的卫星速度较数值差分法低,但两者的加速度计算精度相当。最后通过来自于连续运行参考系统(Continues Operational Reference System, CORS)站点上的实测数据对上述各方法的计算精度进行了评估和比较,表明数值差分法具有最高的速度和加速度计算精度,在高精度应用中应尽量采用。     

面向精密位置服务的低轨卫星轨道预报精度分析EI北大核心CSCD

LEO卫星精密轨道预报是LEO导航增强系统中重要的技术环节之一,本文使用多种算法来实现不同任务需求下的轨道预报。对于在地面处理系统实现的LEO轨道预报,算法1采用定轨预报同时处理的策略,算法2将离散轨道点进行动力学拟合再进行积分外推。GRACE-C卫星预报5、10、15 min的URE平均精度分别为5.25、5.67、6.25 cm;HY2A卫星为7.83、8.69、9.66 cm;SWARM-A卫星为8.88、9.22、9.63 cm;SWARM-B卫星为8.49、8.98、9.63 cm。对于计算条件受限的LEO星上轨道预报,本文利用单个轨道点及简单动力学模型进行轨道积分外推的算法。该算法主要考虑地球中心引力及非球形引力摄动,因此地球重力场阶次对轨道预报精度产生较大影响。平均高度为500 km的LEO卫星选取60阶重力场,高度为1000 km的LEO卫星选取30阶重力场,可实现预报10 min轨道优于10 cm的预报精度。     

北斗导航卫星位置计算方法研究

为了提高北斗卫星轨道的精确性和实时性,在分析星历文件中的开普勒轨道参数和轨道摄动参数的基础上,阐述了卫星轨道计算方法,用VisualC＋＋语言编程实现了卫星轨道位置计算,并用2013年1月13日的北斗导航文件计算出1、5号GEO卫星和6、9号MEO／IGSO卫星位置及其它们外推时刻卫星的位置,通过对比分析,验证了该算法的可行性。     

新太阳光压模型在GNSS定轨中的应用

太阳光压摄动是影响卫星定轨中重要的误差源,在GNSS导航卫星精密定轨过程中使用最为广泛的光压模型为ECOM模型。为了探究几种ECOM模型及其适用性,该文以超快速星历为起算轨道,分析对比经典ECOM-1模型与最新13参数ECOMC模型对GPS/BDS卫星轨道的影响。结果显示:相较于ECOM-1模型,ECOMC模型在GPS定轨中精度有所提升,特别体现在径向精度提升,单天与三天弧段在径向的解算精度分别提升了12.73%和24.74%;在BDS定轨中,采用ECOMC模型,部分GEO卫星在径向方向单天精度有12.38%的提升,而对于IGSO与MEO卫星二者精度差异不大;分析可得,由于星体结构不对称引起卫星在沿太阳-卫星方向作用的偶数阶短周期谐波扰动,引入卫星-太阳方向偶数阶项的参数估计可提升卫星径向精度。     

Exploring gravity field determination from orbit perturbations of the European Gravity Mission GOCE

 A comparison was made between two methods for gravity field recovery from orbit perturbations that can be derived from global positioning system satellite-to-satellite tracking observations of the future European gravity field mission GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer). The first method is based on the analytical linear orbit perturbation theory that leads under certain conditions to a block-diagonal normal matrix for the gravity unknowns, significantly reducing the required computation time. The second method makes use of numerical integration to derive the observation equations, leading to a full set of normal equations requiring powerful computer facilities. Simulations were carried out for gravity field recovery experiments up to spherical harmonic degree and order 80 from 10 days of observation. It was found that the first method leads to large approximation errors as soon as the maximum degree surpasses the first resonance orders and great care has to be taken with modeling resonance orbit perturbations, thereby loosing the block-diagonal structure. The second method proved to be successful, provided a proper division of the data period into orbital arcs that are not too long. Received: 28 April 2000 / Accepted: 6 November 2000