地球重力场模型对低轨卫星轨道积分的影响

介绍3种不同的地球重力场模型及其(约化)动力学定轨中所涉及的动力学模型,并基于Collocation轨道积分方法对CHAMP卫星进行数值积分,然后将轨道积分结果与JPL快速精密星历相比较。实验结果表明,由CHAMP卫星SST数据反演生成的EIGEN-2模型引力位系数具有较高的精度,能够满足低轨卫星精密定轨的需要。     

利用LEO星群反演地球重力场低阶带谐项变化的交叠点法

新一代重力卫星计划主要依靠高精度星载加速度计（ACC）、星间测距系统（KBR）或星载梯度计(SGG)进行地球重力场探测。这类系统因实现困难,成本较高,很难大量实施。而搭载高精度星载GPS接收机的低轨卫星（low earth orbit, LEO）可以相对较低成本获取LEO卫星的精密轨道。卫星精密轨道一方面服务于LEO的主任务（如遥感,气象等）;另一方面可以将这类LEO卫星和星座综合起来,构成LEO星群（Cluster）,LEO星群精密轨道数据包含的丰富地球重力场信息为获取地球重力场的时变信息提供可能。本文给出了一种利用LEO星群精密轨道数据反演地球重力场低阶带谐系数时变信息的实用方法——交叠点法,该方法可有效消弱非保守力等因素对重力场反演的影响。然后,以COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere & Climate)为实例分析了LEO星群交叠点的覆盖特性,径向轨道精度对交叠点法的影响。最后进行了低阶带谐系数(C20和C30 )时变信号的模拟计算,并对结果进行了分析。     

LRI与KBR数据检核GRACE-FO卫星精密轨道

GRACE-FO卫星定轨精度直接影响其反演地球重力场,评估检核轨道数据精度是保证重力场反演效果的重要步骤.自该卫星升空以来,已在轨观测近2年6个月,尚未见对各时期卫星轨道的检核分析.针对以上情况,提出了利用LRI与KBR数据检核GRACE-FO卫星精密轨道的方法,引入了基于信噪比确定权重系数的星间距离组合观测量作为参考...     

低轨卫星精密定轨中重力场模型误差的补偿

分析了不同重力场对低轨卫星运动影响的特征，并基于CHAMP卫星和GRACE卫星的真实轨道，利用轨道积分和轨道拟舍的方法，研究了线性分段加速度、周期性分段加速度以厦虚拟随机脉冲加速度在精密定轨中对重力场模型误差的补偿效果。     

利用GOCE卫星轨道反演地球重力场模型

根据积分方程法反演地球重力场的数学模型,利用GOCE卫星2009-11-02～2010-01-02共61d的精密轨道数据反演了几组地球重力场模型。结果表明,GOCE卫星轨道能有效提取地球重力场的长波信息,弥补了GOCE卫星重力梯度带宽的限制,在106阶次的大地水准面误差为±9.6cm,该阶次精度优于EIGEN-CHAMP03S及GRACE卫星两个月轨道反演地球重力场的精度,但由于两极空白,反演的带谐位系数精度偏低。联合GOCE及GRACE卫星轨道反演的模型在106阶次的大地水准面误差为±6.9cm,弥补了GOCE卫星轨道的缺陷。     

利用地球重力场模型计算CHAMP卫星参考轨道

结合CHAMP卫星观测数据的动力法反演,研究了CHAMP卫星参考轨道的数值方法.分别通过利用40～50阶重力位系数模型计算轨道,并与业已公布的卫星轨道数据进行比较,结果表明, CHAMP(低轨)卫星轨道对重力场低频部分的敏感度较大,考虑低阶(40阶左右)重力场模型计算的卫星参考轨道精度较高.     

利用地球重力场模型计算CHAMP卫星参考轨道

结合CHAMP卫星观测数据的动力法反演，研究了CHAMP卫星参考轨道的数值方法。分别通过利用40～50阶重力位系数模型计算轨道，并与业已公布的卫星轨道数据进行比较，结果表明，CHAMP(低轨)卫星轨道对重力场低频部分的敏感度较大，考虑低阶(40阶左右)重力场模型计算的卫星参考轨道精度较高。     

GRACE星载GPS非差观测值简化动力学定轨

利用GRACE卫星的实测数据研究了重力卫星精密定轨问题;针对简化动力学精密定轨方法给出了一种有效的星载数据编辑、处理策略.编制了相应的软件,并利用该软件处理了GRACE-B卫星3 d的实测数据;通过与JPL公布的轨道导航解比较,以及激光观测值检验的方式分析了卫星轨道的精度.结果显示,利用简化动力学定轨方法解算的轨道精度在6 cm以内,能够满足重力场反演对轨道精度的要求.     

基于转发式的北斗卫星导航系统地球静止轨道卫星精密定轨试验

地球静止轨道卫星(GEO)在北斗卫星导航系统(Compass)的卫星导航中具有特别重要的作用,除了利用导航系统自身的伪距相位以外,利用其他的测轨系统对其进行精密定轨有着重要的意义。利用国家授时中心的转发式测轨网对Compass的GEO卫星进行观测,获取转发式测轨数据,利用该数据对Compass的GEO卫星进行精密定轨分析。分别从观测数据的观测精度,定轨残差以及轨道重叠误差等方面分析GEO卫星的定轨精度。     

利用谱分析法估计GRACE Follow-On地球重力场的空间分辨率

利用轨道扰动引力谱和大地水准面累计误差谱分析的方法估计未来GRACE(gravity recovery and climateexperiment)Follow-On卫星反演地球重力场的空间分辨率。基于GRACE Follow-On卫星的轨道特性,计算其在高空所受到的径向扰动引力,并根据谱特性及星载加速度计的测量噪声水平分析该卫星能反演重力场的阶数。利用EGM96重力场模型分别计算200 km和250 km轨道高度处的扰动引力谱。分析其特性表明:在两个轨道高度处分别能反演281阶和242阶的地球重力场模型。给出大地水准面累计误差谱模型,并计算200 km和250 km轨道高度处大地水准面累计误差谱。分析其谱特性表明:在两个轨道高度处分别能反演至286阶和228阶的地球重力场模型。     

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。     

Energy integral method for gravity field determination from satellite orbit coordinates

A fast iterative method for gravity field determination from low Earth satellite orbit coordinates has been developed and implemented successfully. The method is based on energy conservation and avoids problems related to orbit dynamics and initial state. In addition, the particular geometry of a repeat orbit is exploited by using a very efficient iterative estimation scheme, in which a set of normal equations is approximated by a sparse block-diagonal equivalent. Recovery experiments for spherical harmonic gravity field models up to degree and order 80 and 120 were conducted based on a 29-day simulated data set of orbit coordinates. The method was found to be very flexible and could be easily adapted to include observations of non-conservative accelerations, such as (to be) provided by satellites like CHAMP, GRACE, and GOCE. A serious drawback of the method is its large sensitivity to satellite velocity errors. Existing orbit determination strategies need to be altered or augmented to include algorithms that focus on optimizing the accuracy of estimated velocities.     

低轨卫星导航增强系统半物理仿真平台设计与验证CSCD

低轨道地球卫星(LEO)具有相对地面几何构型变化快、播发信号链路损耗小等优点.随着低轨卫星载荷研制与发射成本的逐渐降低,低轨卫星导航增强技术成为当前卫星导航领域的研究热点.目前国内外的低轨导航增强技术研究均处于起步阶段,没有成熟的低轨卫星导航星座,缺乏有效的低轨导航增强系统的服务性能验证手段.文中开展对低轨导航卫星轨道外推方法、低轨卫星信号捕获跟踪技术的研究,设计构建低轨导航增强系统半物理仿真平台.在仿真平台的基础上对北斗/低轨增强系统组合应用的高精度快速精密定位方法进行验证,实现了精密单点定位(PPP)的快速收敛且具有较高的内符合精度,对于低轨卫星导航增强系统的建设与应用具有一定的科学与工程价值.     

低轨道卫星重复周期的设计方法及其对重力场反演的影响

研究低轨卫星重复周期的设计原理,给出相应的计算公式。基于此对不同轨道高度卫星的重复周期进行数值仿真,并利用动力学方法分析不同重复周期轨道星下点轨迹的空间采样对重力场反演精度的影响。结果表明,卫星的重复周期与其轨道高度的变化并不成线性关系,并且在顾及重力场时间分辨率的情况下,长重复周期能够提高卫星地面轨迹的空间采样,为重力场解算提供较好的条件。     

现代低轨卫星对地球重力场探测的实践和进展

综述了现代低轨卫星对地球重力场测量的特点和近况，介绍了已经和即将发射的重力卫星CHAMP、GRACE、GOCE和新型测高卫星，讨论了作为现代重力卫星首次实践－－CHAMP卫星的进展和目前尚待解决的问题。     

Simulation study of a follow-on gravity mission to GRACE

The gravity recovery and climate experiment (GRACE) has been providing monthly estimates of the Earth’s time-variable gravity field since its launch in March 2002. The GRACE gravity estimates are used to study temporal mass variations on global and regional scales, which are largely caused by a redistribution of water mass in the Earth system. The accuracy of the GRACE gravity fields are primarily limited by the satellite-to-satellite range-rate measurement noise, accelerometer errors, attitude errors, orbit errors, and temporal aliasing caused by un-modeled high-frequency variations in the gravity signal. Recent work by Ball Aerospace & Technologies Corp., Boulder, CO has resulted in the successful development of an interferometric laser ranging system to specifically address the limitations of the K-band microwave ranging system that provides the satellite-to-satellite measurements for the GRACE mission. Full numerical simulations are performed for several possible configurations of a GRACE Follow-On (GFO) mission to determine if a future satellite gravity recovery mission equipped with a laser ranging system will provide better estimates of time-variable gravity, thus benefiting many areas of Earth systems research. The laser ranging system improves the range-rate measurement precision to ~0.6 nm/s as compared to ~0.2 μm/s for the GRACE K-band microwave ranging instrument. Four different mission scenarios are simulated to investigate the effect of the better instrument at two different altitudes. The first pair of simulated missions is flown at GRACE altitude (~480 km) assuming on-board accelerometers with the same noise characteristics as those currently used for GRACE. The second pair of missions is flown at an altitude of ~250 km which requires a drag-free system to prevent satellite re-entry. In addition to allowing a lower satellite altitude, the drag-free system also reduces the errors associated with the accelerometer. All simulated mission scenarios assume a two satellite co-orbiting pair similar to GRACE in a near-polar, near-circular orbit. A method for local time variable gravity recovery through mass concentration blocks (mascons) is used to form simulated gravity estimates for Greenland and the Amazon region for three GFO configurations and GRACE. Simulation results show that the increased precision of the laser does not improve gravity estimation when flown with on-board accelerometers at the same altitude and spacecraft separation as GRACE, even when time-varying background models are not included. This study also shows that only modest improvement is realized for the best-case scenario (laser, low-altitude, drag-free) as compared to GRACE due to temporal aliasing errors. These errors are caused by high-frequency variations in the hydrology signal and imperfections in the atmospheric, oceanographic, and tidal models which are used to remove unwanted signal. This work concludes that applying the updated technologies alone will not immediately advance the accuracy of the gravity estimates. If the scientific objectives of a GFO mission require more accurate gravity estimates, then future work should focus on improvements in the geophysical models, and ways in which the mission design or data processing could reduce the effects of temporal aliasing.     

双星伴飞卫星测高模式及其轨道设计

为达到提高反演海洋重力场分辨率的要求,本文提出一种双星伴飞的测高卫星模式,并根据卫星轨道设计的基本要求,给出相应的卫星轨道设计方案。仿真分析表明,该方案可在卫星设计寿命内完成反演1′×1′空间分辨率海洋重力场的要求,且观测数据覆盖了全球大部分海洋区域。该模式可实现星下点海平面梯度的实时测量,提出了改进测高反演海洋重力场的精度的新思路。     

低轨导航增强GNSS发展综述

低轨星座具有地面接收信号强度高、几何图形变化快的优势,能够与中高轨GNSS星座形成互补,对增强GNSS的精度、完好性、连续性和可用性具有显著优势,已成为当前卫星导航领域的关注热点。本文首先简要介绍了现有的GNSS增强系统;总结了国内外低轨导航增强星座发展现状;针对低轨导航增强,对比分析了高中低轨导航星座的优缺点;重点讨论了低轨导航增强在联合定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等方面带来的机遇;分析指出了低轨导航增强的空间段、地面段和用户段所面临的挑战。     

低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析

基于低轨（low earth orbit,LEO）卫星星载GNSS反射事件的数学判据,分别用BDS、GPS、Galileo、GLONASS和4系统耦合GNSS星座模拟信号源,仿真分析了LEO卫星轨道高度、轨道倾角、下视天线视场角等参量对反射事件数量和时空分布的影响;进而研究了用上述4大GNSS系统进行GNSS反射信号遥感技术（GNSS reflectometry,GNSS-R）探测对接收机通道数量的需求。统计结果表明:LEO卫星轨道越高,天线视场越大,反射事件越多,镜面反射点分布越稠密;轨道倾角越小,反射事件镜面点越趋于赤道地区分布;GNSS-R接收机所需通道数随LEO卫星轨道高度和下视天线视场范围增大而增加;而LEO卫星轨道倾角变化对通道数需求影响不明显。研究结果对GNSS-R低轨卫星系统设计具有一定的理论参考价值。     

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.