高轨卫星天基定轨原理演示系统的设计与实现＊

逄淑涛，杨 洋，2，董绪荣，柳 丽，柳 迪

（1.装备指挥技术学院，北京 怀柔101416；2.北京环球信息开发中心，北京100094）

0 引 言

随着卫星导航技术的飞速发展，高轨卫星以它独特的高轨和静地特性，广泛应用于通信、资源勘测、气象、天文和生物等各个学科领域，成为重要的轨道资源。然而，确定卫星轨道是其在应用中更好发挥作用的重要前提[1－2]。

卫星定轨是根据含有系统误差和随机误差的观测信息，利用一定的数学模型对能够反映卫星任意时刻运动情况的轨道参数进行最优估计。目前，卫星定轨系统可以分为两类：地基跟踪系统和天基跟踪系统。地基跟踪系统定轨主要靠地面跟踪站完成，天基跟踪系统定轨是通过卫星在太空中的测量数据确定来完成的。随着我国卫星产业的发展，对卫星定轨精度和定轨实时性的要求越来越高、越来越迫切，地基卫星定轨跟踪系统也逐渐不能满足需求，天基卫星定轨已成为未来的发展趋势[3－5]。所以，高轨卫星天基定轨原理演示系统成为卫星天基定轨的一项重要应用。

1 系统设计

本系统设计在于能够分步、清晰、直观地演示高轨卫星天基定轨理论中所涉及到的主要内容及原理等，主要包括以下几点：

1）以高轨卫星风云－2D、高轨卫星ROCK和低轨卫星GRACE－A为仿真示例完成用户星轨道仿真，仿真中给出各种类型卫星的轨道参数；

2）以全球导航卫星系统GPS、GLONASS、Galileo和Compass为仿真示例完成导航星座卫星仿真，仿真中给出任意时刻导航星座中卫星的位置坐标；

3）以全球导航卫星系统GPS、GLONASS、Galileo和Compass为仿真示例完成高轨卫星及地面用户星对导航星座卫星可见性的仿真，仿真中通过图可以直观地看到输入任意时刻的可见卫星；

4）以GNSS星座法、GPS星座法和X射线脉冲星辅助GPS星座法为仿真示例完成对高轨卫星定轨的仿真，仿真中给出各种方法的定轨结果。

根据以上设计思路对该系统进行实现。具体实现流程如图1。

2 系统实现

2.1 用户星轨道仿真

在用户星轨道仿真中，为了能够实现人与系统之间有更好的交互性，所以系统设计为既能显示所给示例的轨道参数，又能通过输入新的轨道参数来观察相应的空间轨迹。如图2、3为分别以高轨卫星ROCK、低轨卫星GRACE－A的仿真轨迹。

2.2 导航星座卫星仿真

在导航星座卫星仿真中，通过在MATLAB中读取任意时间段的yuma.txt文件，可以得到任意时刻所对应的导航星座卫星的位置及坐标数据。如图4、5所示。

2.3 导航星座卫星可见性仿真

导航星座卫星的可见性是定轨理论的重要组成部分。在仿真导航观测量的模型中，必须仿真出高轨卫星或地面用户星对每一颗导航卫星的可见性，即在任一时刻，高轨卫星或地面用户星可以接收到哪几颗导航卫星的电磁波信号。如图6、8为高轨卫星及地面用户星对导航卫星的可见性演示，在界面上输入任意时刻，便可以得到在相应时刻可见的卫星，并得出可见卫星的坐标位置，如图7、9.

2.4 高轨卫星天基定轨仿真

在高轨卫星天基定轨仿真中，要求能够对任意时刻高轨卫星天基定轨精度仿真，获得定轨误差结果。如图10所示，以X射线脉冲星辅助GPS星座方法为例，显示了利用X射线脉冲星辅助GPS星座方法进行高轨卫星天基定轨时滤波步数为时长一周的滤波步数（8640步）的仿真结果。显示了X、Y、Z方向的积分滤波位置和速度标准差为所显示值时的误差和可见卫星数。

3 结 论

通过以MATLAB仿真软件为平台，仿真结果充分验证了该演示系统能够高效、直观地对高轨卫星天基定轨原理进行说明分析，且做到人机交互性较好，具有理论及现实意义。

[1]杜 兰，郑 勇，王 宏，等.GEO精密定轨技术的现状及发展[J].飞行器测控学报，2005，24（6）：14－17.

[2]孙宝祥，黎 涌.高益军.GPS自主定姿定轨技术在新一代大型静止轨道卫星上的应用[J].航天控制，1999（3）：20－25.

[3]Christoph R，Roland S，Frank F，et al.An earth gravity field model complete to degree and order 150 from GRACE：EIGEN－GRACE02S[J].Journal of Geodynamics.2005，39（1）：1－10.

[4]Charles D，Willy B.The Instrument on NASA′s GRACE ission：Augmentation of GPS to achieve unprecedented gravity field measurements[C]∥ION GPS，Portland，2002：724－730.

[5]Svehla D，Rothacher M.Kinematic and reduced－dynamic precise orbit determination of low earth orbiters[J].Advances in Geosciences，2003（1）：47－56.