“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.     

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.     

利用CAPS测距数据确定GEO卫星变轨期间的轨道

为调整轨道或者姿态,卫星每隔一段时间会进行喷气或者动量轮卸载,相当于对卫星产生了附加推力．由于变轨过程的复杂性和变轨加速度测量的不确定性,在一般的定轨过程中,通常是不采用变轨期间的测轨数据．但是在特殊情况下如导航卫星的RDSS服务需要提供不间断的包含变轨弧段在内的连续星历．文中利用高精度高采样率的CAPS测距资料,对某GEO卫星包含变轨弧段在内的6天长弧段进行了定轨分析,着重讨论如何利用变轨期间的遥测数据建立变轨推力模型,并将推力模型加入到定轨的动力学模型中,进行长弧段定轨．研究还表明,即使没有准确的遥测信息,基于CAPS系统的高精度高采样率测轨数据,可以解算推力参数．计算结果表明两种方案均取得了良好的数据拟合效果,变轨弧段的轨道位置误差最大约为20m．     

北斗导航卫星伪距偏差特性及减弱方法

导航卫星信号的非理想特性会引起伪距测量产生偏差,具体表现为相同类型接收机具有相同伪距偏差,不同类型接收机的伪距偏差不一致.当提供导航定位服务产品的接收机技术状态与用户端不一致时,伪距偏差将引起导航定位服务性能降低.本文利用超短基线双差伪距O?C(Observation Minus Computation)方法计算了BDS(Beidou Satellite Navigation System)的伪距偏差,发现在早期试验卫星阶段的不同状态接收机之间存在较大的伪距偏差现象,设计了接收机环路参数调整、改变抗多径算法和卫星预失真滤波器参数调整三种减弱伪距偏差的方法.分别试验验证结果表明,接收机环路参数调整能大幅降低卫星之间的伪距偏差,B1I各颗卫星伪距偏差标准差由0.63 m降低至0.36 m;抗多径算法会造成额外的伪距偏差,窄相关算法能大幅减小伪距偏差,B1I各颗卫星伪距偏差标准差由0.36 m降低至0.18 m;调整卫星预失真滤波器参数能在一定程度上减小伪距偏差,单颗卫星伪距偏差降低约0.3–0.4 m.最后,针对BDS卫星伪距偏差解算无固定参考基准的问题,设计了一种基于外频标非实时双差O?C方法,利用该方法分别处理了BDS和GPS(Global Positioning System)数据,并对两个系统卫星伪距偏差的特性进行比较分析.结果表明,BDS和GPS卫星都存在伪距偏差;GPS卫星L2C伪距偏差与BDS-3卫星B1C数据支路相当;GPS卫星L1CA伪距偏差与其兼容互操作的BDS-3卫星B1C导频支路相当;L5C与其兼容互操作的BDS-3卫星B2a信号相比伪距偏差更大.     

北斗三号GEO卫星的RDSS定轨精度分析

有源服务模式RDSS(Radio Determination Satellite Service)所具备的通信、导航一体化特性是我国北斗卫星导航系统的重要特色之一.为进一步提高RDSS的通信服务能力,并保障RDSS服务系统的健壮性,北斗三号RDSS服务从系统架构到信号体制都进行了很大改进.本文首先分析了新的信号体制下,RDSS测距在测量模型和观测噪声等方面的误差特性,并比较了其与原有信号体制的不同.为了避免在RNSS(Radio Navigation Satellite Service)载荷故障时RDSS不能正常提供导航服务的情况发生,RDSS系统需要能够仅利用RDSS测距完成GEO测轨,以此作为原有RNSS测轨的备份保障.文章进一步分析了这种情况下,仅利用RDSS测距进行GEO定轨的精度.通过实测数据分析,我们发现其精度可优于10 m,利用该轨道信息的定位、定时精度可以满足服务指标要求.     

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.     

GEO导航卫星多种观测资料联合精密定轨

针对跟踪站少、观测几何条件差以及轨道机动后GEO导航卫星精密定轨问题,提出了用激光观测数据解算无线电测距离观测数据设备时延、用CODE模型参数和多频载波相位数据进行电离层延迟精确修正的精密定轨和轨道快速恢复的处理体制.通过在轨实测数据实验证明,利用激光标定的距离观测数据组合设备时延精度优于1ns;基于3站观测数据GEO卫星精密定轨结果,RMS为0.25m;24h数据定轨结果重叠12小轨道径向互差0.55m,位置互差约1.62m;预报12h轨道重叠弧段互差为径向3.63m,位置互差8.51m;定轨结果与激光比对残差约0.10m,预报2h轨道比对残差约0.18m,预报24h轨道比对残差约2.04m.GEO卫星轨道机动后2～3h,动力学定轨结果能够恢复到与激光比对残差小于1m、与精密定轨结果比对位置互差约30m的水平.试验及分析结果表明,所提出的GEO精度定轨技术方案可靠、稳定.     

转发式测距和直发式伪距的GEO卫星联合定轨

GEO卫星是区域卫星导航系统空间段的重要组成部分.仿真模拟表明,在星座组网运行时通过差分策略可消除卫星钟差,但对只有GEO在轨运行的单星模式需要引进其他测轨技术才可能获得高精度的GEO轨道和钟差信息.本文提出联合转发式测距和直发式伪距数据的GEO卫星联合定轨和钟差估计方案,克服了转发式跟踪站数量和测距数据有限的问题,实现了对直发式伪距跟踪站星地组合钟差的估计,并且保持了卫星星历与钟差的自洽性.利用我国区域跟踪网对GEO卫星的实测数据进行了联合定轨试验,开展了详细的误差协方差分析说明了转发式和直发式两种测轨技术的贡献,结果表明：转发式测距数据的定轨残差为0.203m,直发式伪距的定轨残差为0.408m.定轨弧段内激光外符视向精度为0.076m,预报2h激光外符视向精度为0.404m,星地钟差估计精度约为1.38ns.对于基于单个转发跟踪站的转发直发联合定轨,激光外符视向精度为0.280m,预报2h激光外符视向精度为0.888m,星地钟差估计精度约为1.55ns.相关指标满足了导航服务的需求.     

高轨导航卫星星历设计

本文利用地球非球形引力、日月第三体引力摄动分析解理论综合分析了导航卫星广播星历参数设计的物理意义,从理论上确定了其取值范围.并通过＂共振＂效应的综合分析,对GPS开普勒广播星历参数对IGSO、GEO卫星的适用性进行了深入研究,最后通过理论分析指出小倾角、J2,2项共振等因素是引起上述广播星历算法不适用于GEO卫星的主要原因.针对GEO卫星星历参数拟合法方程严重病态以及部分接口参数超限的问题,提出了动态加权的带参数约束条件平差算法.通过实际算例证明,该方法能有效稳定星历拟合结果,解决Δn等星历参数超限的问题.     

基于地基观测的嫦娥三号着陆器与巡视器高精度定位

嫦娥三号(CE-3)探测器成功实现了我国首次月球软着陆,对巡视器和着陆器进行高精度定位是保障两器顺利完成月面探测任务的必要前提.本文首先对CE-3月面工作段的测量方式、各观测量测量模型以及运动学统计相对定位方法进行讨论.其次对着陆器进行定位并对定位精度进行评价,得到着陆器坐标为:44.1206°N,-19.5124°E,高程-2632 m(相对1737.4 km月面),通过与月面数字高程模型以及NASA探测器LRO的航拍结果比较,定位差异优于50 m,分析表明VLBI数据对提高着陆器定位精度有显著贡献.最后,利用同波束VLBI数据进行月面巡视器与着陆器的相对定位.与视觉定位方法相比,本文所用的基于地基观测量的运动学统计定位法不受着陆器可视范围限制,且定位精度不随两器距离增加而降低.计算结果表明,在现有的测量条件下,使用纳秒量级的VLBI差分群时延数据,两器相对定位精度在百米;使用皮秒量级的VLBI差分相时延数据,并在定位过程中进行模糊度解算,可以实现米级的月面双目标的相对定位,具有重要意义.