云南天文台的精密定轨系统*

李荣旺，李语强

(1.中国科学院国家天文台云南天文台,昆明 650011;2.中国科学院研究生院,北京 100049)

精密定轨，又叫统计定轨，就是利用长期足够多的观测资料进行解算，包括卫星的“精确”轨道以及相关的动力学参数，如大气阻力系数、光压系数、UT1、站坐标等。

精密定轨是一种动力学定轨方法，区别于几何定轨，其动力学方程如下[1]：

1 云南天文台的精密定轨系统

参考国际上的精密定轨程序，结合工作需要——处理多种类型的观测资料，更新了相关的模型及参数，形成了在云南天文台用于精密定轨的系统，以POREDY(Precision Orbit Estimate Determination of Yunnan Observatory)代称。

图1 精密定轨批处理的流程图[2]Fig.1 Flowchart of batch processing of POD (Precision Orbit Determination)[2]

精密定轨批处理的流程图如图1。其中，框图“积分”表示积分状态矢量和状态转移矩阵，框图“计算”表示计算理论值及其偏导数和残差，并进行Givens变换。由于定轨过程是一个长期积分和不断迭代的过程，计算量非常大，因此需要高性能的计算平台。考虑到计算机字长的限制，对于长期积分来讲，截断误差的积累是必须要考虑的。因此需要采用64位高精度硬件平台(其中双精度支持128位)。

在精密定轨过程中，实际上假定了动力学模型是“精确的”，观测值与理论计算值的差除观测误差(包括随机误差，系统误差和时间误差)外，直接反映了卫星初始状态的不精确，因此模型的误差就直接影响精密定轨的结果。基于上述原因，就需要采用尽可能“精确”的动力学模型。POREDY所采用的动力学模型如表1。

表1 POREDY所采用的动力学模型Table 1 The Dynamic Models of the POREDY

参考系选取如下：

●基本参考系：J2000历元平赤道系和平春分点；

●站坐标：ITRF2005[4]；

●岁差和章动模型：IAU2000 ；

●精密星历：DE405/LE405。

2 残差分析

高质量的观测数据对精密定轨来讲是至关重要的。然而，在实际观测中，由于各种因素的影响，观测数据中往往存在着精度不高的数据甚至是错误数据。对观测数据进行的预处理并不能考虑数据与动力学模型的吻合情况，只能剔除大野值。因此，就必须进行残差分析，剔除错误数据和误差较大的数据再进行定轨。

3 算 例

3.1 LAGEOS

用精密定轨软件POREDY对LAGEOS进行定轨计算，利用全球SLR数据，起始时刻为2004年1月1日0时(UTC)，3天为一个子弧，共计算100个子弧，观测数据总数为60278，各个子弧对应所有测站总的RMS及子弧对应的观测数据总数见图2，其中■为空间研究中心CSR(Center for SpaceResearch)的结果，●为POREDY的结果。利用残差分析方法，得各测站的数据质量统计结果及多圈测距偏差和时间偏差，列于表2。其中，测距偏差的单位为cm，时间偏差的单位为μs。

图2 LAGEOS的3天弧段的标准点数和定轨残差RMS

表2 LAGEOS的残差分析报告Table 2 The residual analysis for the satellite LAGEOS

续 表

STATIONTOTALPASSESTOTALOBSEDITEDOBSEDITEDPCTREMAINPASSESBIASTBIAS7825STROML56529346．446-0．443．897832RIYADH47140741914．7416-0．02-0．557835GRASSE71819242．964-0．56-0．337836POTSD23737420．537-0．050．527837SHAHAI77685385．5660．08-0．497838SHO＿＿＿2453759240．6241-0．202．987839GRAZ＿＿36743751202．7331-0．40-0．307840RGO＿＿＿3764650891．93530．19-0．597841PTSDM31411851472．5133-0．08-0．077845GRASSM40709121．739-0．393．887941＿MLRO＿23924341014．1202-0．070．438834WETZL2436335235310．5325-0．420．66TOTAL55896027824484．14889-0．070．29

3.2 AJISAI

用精密定轨软件POREDY对AJISAI进行定轨计算，利用全球SLR数据，起始时刻为2008年5月3日0时(UTC)，3天为一个子弧，共计算100个子弧，观测数据总数为140197，各个子弧对应所有测站总的RMS及子弧对应的观测数据总数见图3，其中■为空间研究中心CSR的结果，●为POREDY的结果。利用残差分析方法，得各测站的数据质量统计结果及多圈测距偏差和时间偏差，列于表3。其中，测距偏差的单位为cm，时间偏差的单位为μs。

图3 AJISAI的3天弧段的标准点数和定轨残差RMS

表3 AJISAI的残差分析报告Table 3 The residual analysis for the satellite AJISAI

4 结 论

从LAGEOS和AJISAI的定轨结果来看，LAGEOS的测站总RMS不超过3cm，主要集中在1.5cm附近，AJISAI的测站总RMS不超过6cm，主要集中在3.5cm附近，与同期空间研究中心CSR的RMS相当，表明云南天文台用于精密定轨的系统POREDY的运算结果是可信的。

[1] 李济生.人造卫星精密轨道确定[M].北京：解放军出版社，1995：1.

[2] 秦显平.基于SLR技术的卫星精密定轨[D].郑州：解放军信息工程大学，2003,20.

[3] Dennis D M. IERS Conventions(2003).

[4] 朱文耀.ITRF2005简介和评析[J].天文学进展，2008，26(1)：1-14.

Zhu Wenyao. Notes and Commentary on the ITRF2005. Progress in Astronomy, 2008, 26(1): 1-14

[5] 冯初刚.SLR资料的快速处理[J].测绘学报，2001，30(3)：226-232.

Feng Chugang. LAGEOS-1 and LAGEOS-2 Quicklook Residual Analysis. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2001, 30(3): 226-232.

[6] 冯初刚.LAGEOS卫星精密定轨及残差分析[J].天文学报，2003，44(1)：55-64.

Feng Chugang. Determination of LAGEOS Satellite’s Precise Orbits and Residual Analysis. Acta Astronomical Sinica, 2003, 44(1): 55-64.