实现海洋测高卫星厘米级定轨精度的策略分析

刘基余

(武汉大学测绘学院,武汉 430079)

1 引言

对地观测卫星,都要求采用高精度的轨道测量,以便为星载对地观测设备所采集的数据和图像提供基准定位数据。利用星载GPS 接收机进行实时定轨测量,是实现高精度定轨的有效技术途径之一。国外开展的星载GPS 测量定轨实践表明,能够达到厘米级的定轨测量精度。例如,2001年发射入轨的Jason-1 海洋测高卫星,其星载GPS 定轨测量精度已达到了±1cm[1]。为了演示验证厘米级的星载GPS 定位能力,我国开展了基于对里尔、俄制米171型直升机和“运八”等多种飞机的300 余飞行架次机载GPS 测量实践[2-5]。笔者认为,以上试验验证了技术上的可行性,但针对我国拟于2011年发射的海洋二号(HY-2)卫星, 为了实现厘米级精度的星载GPS 定轨测量,还需深化上述研究成果,注重下述的技术问题。

2 技术问题的探讨

2.1 选择适合天线 捕获多颗在视GPS 卫星

一般的星载GPS 测量,难以进行高程约束解,而至少需要同时观测到4 颗以上的GPS 卫星,才能解算出三维实时在轨位置。为了确保在轨点位测量的连续性,星载GPS 信号接收天线必须具有稳定接收和跟踪4 颗以上的GPS 卫星的能力;天线方向性图的优劣和卫星飞行姿态的稳定与否,便成为能否保持稳定接收和跟踪的关键。GPS 信号接收天线的优劣,取决于它的方向性图、增益、输入阻抗、极化和频带宽度等天线参数;对于单频GPS 天线而言,它的带宽应为1 565～1 586M Hz;对于双频GPS 天线而言, 它的第一频带宽度(L1)应为1 565～1 586M Hz, 第二频带宽度(L2)应为1 217～1 237M Hz,这是稳定接收GPS 信号的重要前提。若所购GPS 天线不能工作于上述频带,便难以接收到GPS 信号。根据接收天线理论可知,GPS 信号接收天线的最大输出功率和信噪比均正比于它的方向性系数ka。现行GPS 信号接收天线的方向性图多数近于半球体;但是,随着天线设计和制作工艺的差异,天线的方向截止角(ka 近于零的方向角)彼此相差较大;例如, T rimble 动态天线的方向截止角为15°,而Tecom 401170 型动态天线的方向截止角仅为1°(如图1 所示)。由此可见,在GPS 卫星处于同一低高度角(如10°)的情况下,用Tecom 401170 型动态天线能够稳定接收到GPS 信号,而Trimble 动态天线恰好处于方向截止角之内,而接收不到该颗GPS 卫星的导航定位信号,达不到至少同时观测4颗GPS 卫星的目的。若卫星在飞行过程中,因摄动力的波动起伏而导致较大的倾斜和转动,这相当于GPS 卫星高度角的跃变,可能导致G PS 信号落于天线方向截止角之内,而中断在轨点位的实时测量。因此,星载G PS 信号接收天线应该具有小于甚至远小于1°的方向截止角[6]。

图1 不同天线的方向截止角示意Fig.1 Direction cut-off angle of various antenna

2010年5月28日,第一颗GPS-IIF 卫星发射成功[7]。GPS-IIF 卫星增加了第三个GPS 导航定位信号(L5),并在第二个GPS 导航定位信号(L2)上,增设了L2-C 测距码[6],而已知GPS 卫星的第一、第二和第三用导航定位信号的载波频率分别为fL1=1 575.42M HZ , fL2=1 227.60M Hz, fL5=1 176.45M Hz。

当用调制在上列三个载波上的一个伪噪声码测得三个伪距(PL1、PL2和PL5)时,则可按下列算式求得载波相位测量整周模糊度的初始值():

故可按所测得的伪距PL1、PL2、PL5和上列AB系数算得三个整周模糊度的初始值。由此种方法求得的整周模糊度的初始值,比按现行双频观测值求得的整周模糊度的初始值要更接近整周模糊度的最或然值,而可缩小整周模糊度的搜索区间,大大加速解算整周模糊度最或然值的速度,这可为高动态环境下应用GPS 载波相位测量创造了良好的工作基础。因此,在选择星载GPS 信号接收天线时,应该考虑第三GPS 导航定位信号(L5)的接收,以便充分发挥GPS 现代化的作用。

2.2 注重天线安装位置 减弱多路径效应影响

GPS 测量的多路径误差,是G PS 信号的传播误差之一;对于P 码伪距测量而言,其量级为±1m 左右;对于C/A 码伪距测量而言,其量级为±5m 左右。由此可见,如何减少多路径效应的不利影响,是值得高度关注的。

星载GPS 测量的多路径效应,主要来自所在星体及其星上设备对GPS 信号的反射,以及传播界质的散射波[6]。对于后者的影响,是无能为力的。对前者的影响,关键在于星上GPS 信号接收天线的安装位置。在卫星上设置GPS 信号接收天线时,应该严格防止星体及其设备的反射波和信号串扰[8-10]。

从图2 所示的美法合作的托佩克斯-海神卫星(Topex/Poseidon)的星载G PS 信号接收天线可见,它用竖立杆将GPS 信号接收天线提升到星体的最高位置。由此可知,选择安装GPS 信号接收天线位置的原则是:

图2 托佩克斯-海神(Topex/Poseidon)海洋测高卫星的GPS 信号接收天线安装位置特点Fig.2 Feature of installation of GPS antenna for Topex/Poseidon altimetry satellites

1)位置开阔,能够接收到所有在视的GPS 卫星的导航定位信号;

2)位置适当,难以接收到本星体及其设备的反射波;3)位置可靠,能够避开本星体自身的信号串扰。依据上述三原则安装的星上GPS 信号接收天线,能够有效地减少多路径效应的影响。

2.3 选用适合的GPS 信号接收机 确保星载GPS测量数据优质

GPS 卫星导航定位, 是基于被动式测距原理;GPS 信号接收机只要测得用户天线至GPS 卫星的距离(简称为站星距离),即可按下式解算出用户位置:

式中,

Pj(t)——GPS 信号接收机测得的用户在时元t 至第j 颗GPS 卫星的距离;

Xj(t),Yj(t),Zj(t)——第j 颗GPS 卫星在时元t 的在轨位置;

Xu(t), Yu(t), Zu(t)——用户天线在时元t 的在途位置;

du(t)——GPS 信号接收机时钟偏差等因素引起的站星距离偏差。

从上式可见,为了解算出用户的三维位置,G PS信号接收机至少要观测4 颗GPS 卫星,而列立出4个如上方程式。由此可见,G PS 定位精度与用户航行速度快慢无关,只取决于下列三大因素:

1)站星距离的测量误差;

2)作为动态已知点的GPS 卫星的实时在轨位置误差;

3)所测4 颗以上GPS 卫星在空间的几何分布,即位置精度因子(PDOP)值。

在航天飞行条件下,只有采用GPS 双频观测值,才能够有效地削弱电离层效应对星载GPS 测量的精度损失,达到高精度定轨的目的。因此,星载GPS 信号接收机的基本条件是必须具备双频测量功能,在如今已有第三GPS 导航信号的情况下,应提升到三频测量功能。

GPS 载波波长较P 码码元的相应长度短两个数量级;在相位测量精度相同的情况下,载波相位测量误差对测距精度的损失,较P 码码相位测量误差小两个数量级。不仅如此,载波相位测量的距离分辨率也较P 码码相位测量的距离分辨率高得多。因此,对地观测卫星必须装备具有双频载波相位测量能力的GPS 信号接收机,才能够实现星载GPS测量的厘米级定轨精度。

经分析认为,对地观测卫星所载的GPS 双频接收机应该具有下列基本技术指标:1)信号波道:平行跟踪式,24(L1/L2)个;2)观测值L1-C/A 与L2-C码伪距, L1/L2 载波相位测量;3)数据更新率20Hz;4)机内存储器≥596M bit;5)热启动时间≤10s;6)卫星重捕时间≤2s;7)功耗≤10W。

GPS 信号接收机的质量优劣,主要表现在测量站星距离的误差大小。在简化公式(2)推导的情况下,用L1-P 码和L2-P 码测得的伪距分别为

式中,

ρj——GPS 信号接收天线至第j 颗GPS 卫星的真实距离;

用P-L1 载波和P-L2 载波测得的伪距分别为

式中,

或写成

式(4)的两个方程相减可得

式中,

由式(6)知,

将式(7)代入式(5)可得

或写成

上式左边的第二项,是GPS 载波相位测量的整周模糊度偏差距离之差。用我们自己的DDKINOTF 动态载波相位测量数据处理软件多次解算的实践表明:一般用10 个时元的载波相位测量数据,即可固定整周模糊度之解,以致式(8)左边的第二项可以忽略不计,故有

依式(9)的推导方法,可得

当略去上式左边的第二项时,则得

考虑到fL1=1 575.42MHz 和fL2=1 227.60MHz则知:α=1.646 944;故有+

对四种最新的GPS 双频接收机半小时实际测量数据解算表明:的均值分别为0.135m～6.326m ;MjL2-P 的均值分别为0.178m～8.675m。这些数值能够较好地反映GPS 双频接收机的性能优劣;一般而言,和的均值越 小,其接收机的作业性能就越好,也越能获得较高而稳定的GPS 卫星定位精度。

GPS 信号在接收机内部从一个电路到另一个电路的行进中,存在内部时延。它的大小可以根据电路参数计算求得;如果内时延是稳定而不变动的话,经过内时延改正后的站星距离,便不存在测量精度的损失。但是,由于波道时延的不稳定性,中频信号的相位抖动和接收天线的相位中心漂移,不可能实现接收机内时延的精确修正。为了监控内时延的不稳定性,需要定期地检验GPS 信号接收机;其具体检验方法请阅参考文献[6]。

卫星厘米级定轨,不仅需要高性能的星载GPS信号接收机,而且需要一个跨度较大的GPS 基准网[9]。利用我国设立在澳大利亚墨尔本定轨观测站和阿根廷圣胡安卫星激光测距站,以及我国在南极中山站所建立的GPS 跟踪站,与国内现有的IGS(International GPS Service)跟踪站,可构成GPS 国际基准网。

此外,还需注重减少大气阻力摄动对低轨卫星定轨的精度损失[11]。对于在965km 高度运行的海洋二号卫星而言,大气阻力,是一种重要的摄动力。而且它又是一种复杂而多变的摄动力;其主要原因源于大气密度的复杂多变。大气密度的分布,不仅随大气层的高度和温度而变化,而且随时间不同而异;例如,白天的大气密度大,晚间的大气密度小。此外,大气密度还与纬度、季节、太阳活动和地磁等因素有关。因此,大气阻力摄动,是一项难以精确模型化的摄动量。对于要求厘米级定轨精度的对地观测卫星,国外的航天工程实践证明,下述方法是有效的:给对地观测卫星装备卫星加速度计,以此实时地测定大气阻力摄动导致的卫星加速度,进而用它与星载GPS 测量数据进行融合处理,精确地解算出卫星的实时在轨位置。

3 结束语

据报道,2011年我国将发射海洋二号卫星;该卫星将装备星载多普勒无线电定轨定位系统(Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite,DO RIS)接收机、星载GPS 信号接收机和星载激光角反射器,以便实现高精度高可靠的厘米级定轨测量。依据的机载GPS 300 余飞行架次的实践经验,本文较详细地分析了实现海洋二号卫星星载GPS 厘米级定轨测量的下列策略:选择适合天线,捕获多颗在视GPS 卫星;注重天线安装位置,减弱多路径效应影响;选用适合的GPS 信号接收机,确保星载GPS 测量数据优质。笔者期待这些策略能够付诸航天工程实施。

)

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[11]刘基余.海洋二号卫星厘米级定轨的实施建议[J].海洋测绘,2005, 6:1-3