非差和单差LEO星载GPS精密定轨探讨

简要介绍了目前LEO星载GPS定轨方法, 在自主研制的SHORD-Ⅲ软件基础上, 重点探讨了LEO星载GPS单差和非差动力学定轨, 通过对GRACE卫星试算和与GFZ事后科学轨道的比较, 表明单差定轨三维位置精度优于15 cm, 径向、沿迹方向和轨道面法向可达5, 10和6 cm精度; 非差定轨三维位置精度优于10 cm, 径向、切向和法向可达4, 8和4 cm精度. 采用高精度的SLR观测外部检核结果表明, SHORD-Ⅲ单差定轨距离精度优于8 cm, 非差定轨距离精度优于6 cm.     

卫星转发器的时延变化

使用转发式测距观测数据对地球静止轨道(Geostationary orbit,GEO)卫星进行精密定轨时,通常认为卫星转发器时延变化很小,可作为常数和卫星轨道一并求解.事实上这个假定有一定误差,影响了GEO卫星定轨精度.为了研究转发器时延对GEO卫星精密定轨精度的影响,本文对站间单差消除卫星转发器时延与非差常数解算转发器时延两种定轨方案进行了对比.结果发现,转发器时延变化对轨道的影响约为1~2 m.在此基础上,固定差分方法解算的轨道及相关参数,使用非差法反演瞬时转发器时延,结果表明转发器时延变化有明显的周日效应.转发器时延变化规律的发现,为建立GEO卫星定轨精确模型、进一步提高GEO卫星精密定轨以及轨道预报精度具有重要价值.     

海洋二号卫星SLR精密定轨

随着我国第一颗海洋动力环境卫星海洋二号(HY-2)的成功发射并正式投入使用,我国的海洋环境监测与海洋资源探测能力得到了进一步完善和提高.精密轨道跟踪和确定是海洋动力环境卫星的关键技术,也是有效利用包括雷达高度计在内的星载设备观测数据开展海洋科学研究的必备条件.本文介绍了我国首次HY-2卫星激光测距(SLR)国际联测的情况,采用动力学定轨方法,利用6个月的SLR实测数据进行了精密定轨,并通过内符合精度、与DORIS轨道的比较以及站星距检核等方法仔细分析了SLR定轨精度.处理结果表明,HY-2卫星SLR定轨的平均三维位置精度约为12.5cm,径向位置精度好于3cm.这项工作为SLR国际联测及精密定轨在我国对地观测卫星工程中的应用提供了成功范例.     

Jason-1卫星厘米级星载GPS精密定轨

美法合作研制的Jason-1海洋卫星于2001年2月7日在美国加利福尼亚州成功发射, 它接替已经运行了 9 年的Topex/Poseidon(T/P)卫星, 继续对全球海平面进行高精度的实时监测. 海洋卫星的轨道误差, 尤其是径向误差直接影响卫星测高的效果, 为了能与T/P的测高数据很好地衔接, Jason-1卫星径向轨道须达到2.5 cm精度. 本文利用Jason-1卫星星载GPS实测数据, 通过非差动力学定轨方法, 计算了Jason-1卫星2002年12月19日至2003年1月7日两个cycle的轨道, 并利用与JPL计算的精密轨道比较、轨道重叠检验及SLR检核等多种方法全面地分析了本文的定轨结果. 多种比较结果综合表明, Jason-1卫星径向定轨精度可达到1~2 cm.     

VLBI 应用于GEO 导航卫星的测定轨

我国区域卫星导航定位系统的星座设计包括了5 颗或更多地球同步卫星, GEO 卫星相对于地面测站的运动较小, 且由于需要维持轨位而必须较频繁地机动轨道, 这两个特点对GEO 导航卫星的精密定轨都提出了新的挑战. 目前已有采用C 波段转发式测距和L 波段直发式伪距测量实现GEO 卫星精密定轨的成功实践. 本文将在探月工程“嫦娥一号”和“嫦娥二号”测定轨中发挥重要作用的VLBI 技术应用于GEO 卫星测定轨, 介绍了VLBI 的测定轨原理和系统差校正方法, VLBI 测量主要约束了GEO 卫星的南北和东西位置分量. 中国VLBI 网(CVN)对某GEO 导航卫星进行了24 h 观测试验, 本文综合利用VLBI 测轨数据和C 波段转发式测距数据进行定轨分析, VLBI 时延测量精度约3.6 ns, 时延率约0.4 ps/s. 分析表明, VLBI 数据提供了对测距数据系统差的标定, 而综合两种类型数据联合定轨可以显著提高卫星机动后轨道快速恢复定轨预报精度.     

天宫一号飞行器失效后激光测距实验分析

天宫一号飞行器于2016年3月终止了数据服务,成为在轨飞行的"空间碎片".其所处的轨道空间,高度约400 km,是天宫二号航天器、国际空间站等载人航天器以及一系列对地测量卫星运行的重要区域.空间碎片对这些航天器的运行构成严重威胁.卫星激光测距是目前空间目标观测手段中精度最高的一种,测量精度可达厘米量级,其高精度的观测结果为碰撞风险评估提供了有力支撑.天宫一号装有角反射器,这为激光测距提供了良好的实验平台.2016年3~5月期间,中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站(7237)和中国科学院上海天文台佘山观测站(7821)以及中国科学院紫金山天文台等单位联合对失效的天宫一号目标进行了激光测距实验,共获得有效数据23圈.通过实测数据处理分析,发现激光观测数据的均方根(RMS)即定轨精度可以达到10 cm.利用卫星激光测距(SLR)精密定轨得到的新根数做轨道预报,两天的预报在地固坐标x,y,z三个分量上的误差约200~300 m,径向误差好于100 m,能够满足激光测距后续观测的要求.本次实验将为天宫二号及其他低轨道航天器的激光测距和精密定轨提供有益的参考和技术支撑.     

综合多种观测技术精密确定海洋卫星ERS-2的轨道

利用ERS－2卫星测高的海洋学研究和InSAR测量都需要该卫星的精密轨道。综合利用SLR和PRARE数据来确定ERS－2的精密轨道，以发挥SLR技术观测精度高和PRARE技术数据覆盖广的优点。基于建立的软件系统SODS－VCE，计算了1997年的ERS－2轨道。从跟踪数据拟合程度、轨道弧段端点衔接程度及与独立轨道比较3个方面综合评估所得轨道的精度为：径向约5－6cm，满足海洋测高研究中轨道径向精度好于10cm的要求；法向好于20cm，可满足InSAR测量的需要。在综合定轨中，采用方差分量估计方法解决SLR，PRARE距离和PRARE Doppler3种观测数据的加权问题，结果表明，它可提高轨道的计算精度。     

嫦娥二号卫星轨道确定与测轨技术

嫦娥二号卫星轨道为运载火箭直接将卫星送入地月转移入口点、近月点100km高度月球捕获型轨道.该类型轨道确定及精度评估是测控需要解决的关键问题之一;X波段测量技术实验数据处理方法及精度评估是测定轨中要解决的另一关键问题.本文针对喷气卸载对转移轨道定轨的影响提出了截短观测弧段以提高轨道解算精度的定轨策略,提出了基于入轨轨道与地月转移第一次中途修正量的入轨点精度评估方法,以及基于渐进重叠弧段的近月捕获轨道精度评估方法,在摄动力分析的基础上给出了100km高环月工作轨道月球重力场模型选用策略.给出了深空相位测量数据处理方法,对X波段测距及DOR数据噪声进行了评估.分析表明,文中给出的定轨策略正确、可行,嫦娥二号卫星在地面控制中心的测控下准确进入环月工作轨道;X波段测量数据处理与精度分析方法正确,测速及时延数据噪声降低70%以上,测轨实验数据精度有显著提高.X波段测轨技术与数据处理方法适用于后续深空探测.     

广域差分系统中的卫星钟差改正方法

在深入分析星钟和星历分离的广域差分原理的基础上, 利用简易的广域差分仿真平台, 分析了这种原理在差分站时间同步时采用的绝对分离, 以及在主差分站同步、副差分站时间不同步时采用相对分离这两种方法的异同, 分两步给出了副差分站不同步时卫星钟差一站式改正方法, 提出并重点讨论了星钟二次改正的逆向推理算法. 仿真分析得出当差分站采用码相位的伪距测量时, 采用这种钟差改正方法可以实现5~7 ns的授时精度, 当差分站采用载波相位平滑伪距时, 这种钟差改正方法可以实现1~3 ns的授时精度.     

GPS卫星姿态异常及其对精密单点定位估值的影响

当GPS卫星运行至与太阳和地球近似共线时,将经历姿态异常:期间星固系X轴不再保持对日(BLOCKII/IIA卫星)或背日(BLOCKIIR卫星)指向.该异常对于各IGS分析中心生成精密钟差产品和用户实施精密单点定位(PPP)均具有不可忽略的影响.研究表明,各中心在利用姿态异常时期的GPS数据生成钟差产品时,所采用的策略差异可导致IGS联合钟差产品存在问题;而对于PPP用户而言,除钟差问题影响外,卫星姿态异常致使利用标准星固系计算得到的相位缠绕、卫星相位中心偏差改正中存在超过1dm的误差,严重影响了PPP估值精度.介绍的航向姿态模型可有效改善卫星姿态异常时期PPP估值的可靠性.     

GPS,OBP和GRACE估计地球动力学扁率变化及其地球物理激发

行星地球是一个旋转的扁椭球体,其动力学扁率(即J2)变化主要由地球系统物质流动和各圈层相互作用引起.目前国际上地球动力学扁率测定主要用卫星激光测距(SLR)资料得到,然而SLR地面观测台站少,南北半球分布不均,且不是连续观测,以及受动力学模型和常数等影响.尽管新一代重力卫星(GRACE)观测大大提高了地球重力场球谐系数低阶项一两个数量级,但对二阶项C20不敏感.本文利用全球连续GPS观测得到的地表负荷位移估计地球动力学扁率J2,并联合GPS与海底气压(OBP)以及OBP和GRACE资料分别估计地球动力学扁率J2,比较和分析地球动力学扁率多尺度变化特征及其机理.结果发现GPS单独估计结果振幅偏小,GPS+OBP,GPS+OBP+GRACE和GRACE估计J2周年变化与SLR结果非常接近.而J2半周年变化,GRACE估计相对较差,主要由于GRACE资料处理没有很好扣除约161天的S2潮汐影响.另外,GPS+OBP和GPS+OBP+GRACE估计J2季节内和年季变化与SLR结果较一致,而GRACE和GPS单独估计结果与SLR结果偏差较大.并进一步利用地球物理模型资料研究对J2变化的贡献,结果表明,地球动力学扁率J2季节性、季节内和年季变化主要由大气、海洋和陆地水地表流体质量重新分布和迁移激发.     

基于单点定位模型的GALILEO及GPS-GALILEO组合系统的定位精度和可靠性的仿真分析

提出了一种统一的度量码观测值和相位观测值的可靠性指标并将其运用于卫星系统的可靠性评价中. 在此基础上, 以中国地壳运动观测网的25个基准站为地面观测站, 对大陆范围内GPS, GALILEO以及GPS-GALILEO组合系统的卫星可见性、给定精度下的定位可信度以及观测数据的可靠性进行了仿真计算和分析. 结果表明, 在中国大陆范围内, GALILEO系统的卫星可见性优于GPS系统, 二者的平面定位精度和可信度基本一致, GALILEO系统的高程定位精度和可信度优于GPS系统; GPS-GALILEO组合系统的定位精度和可信度均优于单一卫星系统. 基于GALILEO和组合系统的码观测值和相位观测值的可靠性无论在时间域还是空间域上均整体优于GPS系统, 新指标计算简单, 很好地反映了系统间的可靠性差异.     

“嫦娥三号”月球探测器的轨道确定和月面定位

我国探月工程二期"嫦娥三号"月球探测器(CE-3)在月球正面虹湾以东地区登陆,这是我国首次在地球以外的天体成功实施软着陆.CE-3采用X频段测距测速联合VLBI测量技术进行定轨定位工作,其中VLBI采用了ΔDOR测量技术,测量精度较CE-1/CE-2任务有很大提高.本文评估了CE-3地月转移段、环月段和动力落月段的定轨精度,分析了着陆器定位以及巡视器相对定位精度.分析结果表明环月100 km×100 km和100 km×15 km轨道确定精度分别约为20和30 m,精度比CE-2提高约50%,与同时期国外月球探测定轨精度相当.CE-3新增了动力落月段和月面工作段的定轨定位工作,本文利用运动学统计定轨方法确定了CE-3动力落月轨迹,综合分析落月轨迹确定精度优于100 m.利用统计定位方法确定了着陆器的在月固系的位置,以及巡视器相对于着陆器的相对位置,着陆器定位结果和LRO图像数据差异小于50 m,差分群时延数据巡视器相对定位精度在百米量级,而利用高精度的差分相时延数据,结合一定的数据处理策略,可以得到精度在米级的着陆器和巡视器相对定位结果.     

高精度千赫兹重复频率卫星激光测距系统及实测结果

千赫兹重复频率激光测距具有目标捕获快、回波数多、测距精度高、标准点数据密度高等优点, 已成为国际激光测距技术的发展趋势. 针对千赫兹激光测距系统, 中国科学院上海天文台采用皮秒脉宽千赫兹频率激光器和高精度事件计时器, 研制了纳秒级控制精度的事件模式距离门控及后向散射避免电路, 设计开发高实时性控制软件和数据预处理软件, 建立了高精度千赫兹重复频率卫星激光测距系统, 实现了从低轨到中高轨卫星千赫兹重复频率常规观测和低轨道卫星白天测距, 测距精度7~12 mm, 并在国际上首先实现了同步轨道卫星千赫兹重复频率激光测距. 与低重复频率激光测距相比, 激光测距有效回波数和标准点数据密度有数量级增加, 测距精度也有了一定的提高.     

无转发器式卫星轨道实时精确测量新方法

卫星实时测轨| 光纤时间频率传递| 线性化迭代方法基于GPS定位原理提出了一种卫星轨道实时、精确测定的新方法. 该方法利用了光纤时间频率传递系统的高精度同步的优势, 在可实现位置精确已知的多个地面观测站间高精度时间同步的基础上, 由地面观测站连续向卫星发射测距信号, 并通过卫星上的信号接收和信号处理芯片实时解算出卫星的精确轨道. 由于该方法没有卫星转发时延等误差, 大大地提高了卫星轨道测定的实时性. 研究表明, 在实现地面站间100 ps级时间同步的基础上, 利用该方法获得更高的卫星轨道测距精度是完全可行的. 利用本方法同样可以得到卫星姿态测量的高精度.     

多种测量技术条件下的GEO卫星定轨研究

提出了基于SLR和转发式测距数据的GEO卫星定轨方案, 探讨了两种新的C波段转发式测距设备的系统时延精确标定方法, 包括激光并置比对法和联合定轨法, 其中激光并置比对法的时延标定精度为0.5 ns, 联合定轨法的时延标定精度优于1 ns. 利用中国区域内的转发式测距跟踪网对GEO卫星进行了联合定轨实验, 结果表明经过事后精处理, 定轨残差为0.205 m, 激光外符视向精度为0.133 m, 三维位置精度优于5 m, 预报2 h激光外符视向精度为0.373 m.     

捕星

中国科学院院士李济生,在我国人造卫星轨道动力学和卫星测控技术研究领域堪称权威。 他主持开发的卫星精密轨道确定系统,突破了多项技术难点,把卫星定轨精度从千米组级提高到米组级,达到世界先进水平;他在国内首次提出并实现了卫星测控应用软件的通用化、模块化、标准化,使卫星测控软件的设计思想发生了根本性变革;他提出的“卫星时”概念,为开创出独具中国特色的一网管多星的新路子作出了贡献。     

不同GPS接收机观测值的随机模型评估

根据最小二乘准则或其他准则解算参数的最优估值时, 需要已知观测值的随机模型. 随机模型正确与否将影响参数估值, 因此, 快速高精度GPS定位需要已知正确的随机模型. 采用GPS短基线实测数据, 估计了两种GPS接收机观测值的随机模型, 分析了不同类型数据的精度及其与高度角的关系, 时间相关性以及不同类型数据之间的交叉相关性. 结果表明: 通常采用的独立等权随机模型不适用于GPS观测值; 根据高度角定权并不适应于所有接收机和所有类型的观测数据; 随机模型中应考虑时间相关性和交叉相关性; 随机模型与接收机和观测数据类型密切相关, 不同接收机应采用不同的随机模型.     

利用卫星重力观测研究近5年中国陆地水量中长空间尺度的变化趋势

重力卫星观测为研究中长空间尺度陆地水量变化趋势提供了崭新的途径. 利用近5年重力卫星GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)的时变重力场观测数据研究了我国中长空间尺度陆地水储量变化趋势. 结果显示, 我国陆地水量变化趋势幅度较大的主要有5个典型区域: 华北京津冀地区、青藏高原区域、三峡库区、青川甘交界区域以及新疆阿尔金山自然保护区. 前两个区域, 陆地水(冰)储量存在明显的减少趋势. 在华北的京津冀地区, 2003~2007年该区域陆地水量以大约2.4 cm/a的速率下降, 相当于约52亿立方米/年(河北省约45亿立方米/年), 河北省水利局统计近30年来, 该省地下水超采平均达到40亿立方米/年; 由GRACE重力卫星“捕捉”到2003年6月三峡蓄水前后库区周围12万平方公里范围内平均水量变化达到5.0 cm等效水柱高; 此外, 研究结果显示在青、川、甘三省(自治区)交界区域陆地水量具有约1.1 cm/a的增加趋势, 表明该区域气候近几年有逐渐变湿润的趋势.     

利用中国VLBI网实现对“火星快车”的测定轨

为满足我国深空探测发展的需要,上海天文台组织中国VLBI网对欧空局在轨火星探测器"火星快车"进行了测定轨实验.利用自主研发的具有频谱高分辨率的VLBI软件相关处理机及高精度多普勒测量系统,在国内第一次获取到了距离最远至3.6亿千米的火星探测器VLBI和多普勒测轨数据,并利用自主研发的定轨软件系统对测轨数据进行了分析处理.分析结果表明,国内已经初步具备对火星探测器的测定轨能力,5s积分三程多普勒测量噪声约0.3mm/s,与欧空局水平相当.利用约一个圈次8h三程多普勒数据定轨,定轨结果与欧空局重建轨道位置差约几百米.分析结果还表明在当前测量精度水平下,定轨精度主要取决于多普勒数据.由于"火星快车"目前的下行信号为窄带信号,所以VLBI的时延测量精度限于纳秒量级.要提高VLBI数据对千米量级定轨精度的贡献,其测量精度需提高一个量级.