静电陀螺监控器对航天器定轨精度影响分析

周海渊，王旭良，李红艳，杨 恒

（中国卫星海上测控部，江阴 214431）

静电陀螺监控器对航天器定轨精度影响分析

周海渊，王旭良，李红艳，杨 恒

（中国卫星海上测控部，江阴 214431）

航天测量船与陆基测控站在对航天器进行轨道跟踪测量中存在很大区别，陆基测控站是定点测控，定轨精度完全取决于无线电设备自身精度，而测量船是海基动态测控，定轨精度除受无线电设备自身精度影响，更大程度上受制于惯性导航系统（INS）提供的船姿船位(航向、船摇、位置)数据精度。测量船为提高船姿船位数据精度，使用了静电陀螺监控器（ESGM）与惯性导航设备（INS）、全球卫星导航系统（GNSS）相结合的组合导航系统。结合 INS/ESGM/GNSS工作原理和测量船航天器定轨中船姿船位数据源的选择，将船姿船位数据精度对测量船定轨精度的影响进行了仿真，并通过无线电设备实测数据的事后数据处理对仿真结果进行了验证。研究结果表明，ESGM能够在很大程度上提高测量船航天器的定轨精度。

静电陀螺监控器；组合导航；数据仿真；定轨精度

测量船由于测量点位的灵活性和测控覆盖范围的广泛性，早已成为我国航天测控网不可或缺的重要组成部分。但是由于海基测量是在动态条件下进行，测量船船姿船位都在实时变化，导致海基测控定轨精度一般而言不如陆基测控站[1-3]。然而轨道确定是航天器测量、控制和应用的基础，因此如何提高测量船船姿船位数据精度成为测量船海基测量的关键所在[4-5]。

为提高海基航天器测控定轨精度，第三代航天测量船配备了以ESGM设备为核心的INS/ESGM/ GNSS组合导航系统[7-8]。本文从该组合导航系统工作原理出发，结合海基测控航天器定轨中船姿船位数据源的使用原则，从仿真数据和实测数据两个方面研究了船姿船位数据误差对航天器定轨精度的影响，最后将应用ESGM前后测量船的航天器定轨精度进行了比较。

1 组合导航系统的构成及工作原理

ESGM/INS/GNSS组合导航系统结构如图1所示。其工作原理进行如下：ESGM连续实时地接收INS的位置（经度λ、纬度φ）、姿态（横摇R、纵摇P）、航向（K）等信息，并向INS输出位置和航向的修正量，以保证INS能够长时间、高精度的工作；全球导航卫星系统（GNSS）为INS和ESGM实时提供精确的位置信息，是INS和ESGM校准的位置比对基准。

该系统图中的标校经纬仪（CNS）是测量船航向的基准。由于光学系统的高精度特性，CNS接收INS位置和姿态数据后可以利用天文导航计算出INS的航向误差进而对INS航向进行修正，同时ESGM的航向精度也需要利用经纬仪进行检测验证。CNS/INS/GNSS是在ESGM应用之前测量船常用的组合导航系统。

图1 ESGM/INS/GNSS组合导航系统工作原理Fig.1 Principle of ESGM/INS/GNSS integrated navigation system

2 海基定轨误差来源分析

在未装备ESGM设备之前，测量船一般在测控任务开始之前15 min使用CNS和GNSS数据完成对INS的最后一次校准；在装备ESGM之后，ESGM和GNSS实时对INS数据进行校准修正。

在组合导航系统中，位置信息GNSS精度最高，横摇和纵摇姿态信息只有INS能够提供，而航向信息的来源有INS、CNS、ESGM这3个，INS航向精度较低，需要CNS和ESGM进行修正。

综合以上测量船在航天器定轨过程中，船姿船位数据来源如下：经纬度位置数据来源于GNSS数据；横纵摇数据来源于INS；航向数据来源于ESGM或者CNS。由此得出对于海上测控精度的影响的最关键因素就是航向数据的来源与精度。

CNS/INS/GNSS与ESGM/INS/GNSS两者之间最大区别在于，虽然CNS精度最高，甚至可以在校准后的瞬间使得INS航向误差几乎为零，但是在测控任务中，CNS对INS最后一次校准至跟踪结束，CNS对于INS航向误差逐渐发散增大的情况却无能为力，即CNS无法对INS航向进行实时修正。比较而言，ESGM校准INS航向其瞬时精度虽然无法达到CNS水平，却可以实时对INS航向进行监控和修正。

目前相关数据的误差如下：GNSS位置测量误差为0~20 m；INS横纵摇误差0"~10"；经过统计INS航向使用CNS修正初始误差为0"，1 h测控任务跟踪结束后INS航向误差一般能够达到20"~40"，使用ESGM修正从跟踪开始至结束，INS航向误差实时能够保持在10"~20"。

3 海基定轨精度仿真分析

航天器的典型轨道有两种，一种是近地近圆轨道，另一种是大偏心率轨道。在仿真过程中，分别以两种典型轨道类型的理论弹道数据为标准数据，并在标准数据上添加各测量设备的测量误差。各设备叠加的误差如下：无线电设备测距误差7 m，测角误差41.3"，GNSS位置误差20 m，INS纵横摇误差采用5"，CNS和ESGM修正INS航向的误差取其统计平均值分别取20"和10"。以理论入轨根数为比对标准，采用蒙特卡罗方法模拟100次，并统计定轨结果半长轴误差的标准差，结果如表1所示。

从仿真结果看：对于近地近圆轨道，使用ESGM对航向数据进行修正，定轨结果半长轴有 20多米改进；而对于超大偏心率轨道，经过ESGM数据修正后，定轨结果半长轴改进比较明显，半长轴精度提高了20 km以上。因此从理论仿真层面分析可以得到以下结论，使用ESGM能够提高海上测控定轨精度。

表1 仿真计算半长轴误差Tab.1 Calculation of major semi-axis error in simulation

4 无线电设备跟踪精度分析

海基无线电设备通过组合导航系统提供的船姿船位数据对航天器进行测控定轨，即船姿船位数据误差最终叠加反映在无线电设备的实测数据。根据前面分析，其中的关键为航向数据对无线电设备方位精度的影响。不同类型的航向数据对无线电设备跟踪测量过程中的方位数据有着决定性影响，具体情况可以通过方位残差反映，方位残差越小，平均值越趋近于零，定轨精度越高。

图 2和图 3分别为两次海上测控任务分别采用CNS/INS/GNSS与ESGM/INS/GNSS提供的船姿船位数据进行事后数据处理后得到的无线电设备方位残差，其中图2为某次近地近圆轨道任务，图3为某次大偏心率轨道任务。

数据比对的基准采用火箭箭载GPS。比对结果发现，使用CNS/INS/GNSS与ESGM/INS/GNSS船姿船位数据分别计算的无线电设备方位残差，后者比前者平均值更接近于零，而且残差减小了约10″。因此从设备层面分析可以得到以下结论：使用ESGM/INS/GNSS无线电设备方位残差较小，而海上测控无线电设备引入的误差越小定轨精度更高。

图2 近地近圆轨道定轨方位残差Fig.2 Near circular orbit range residuals

图3 大偏心率轨道定轨方位残差Fig.3 Highly eccentric orbit range residuals

5 轨道改进结果分析

为了进一步研究ESGM对于测量船航天器定轨结果的具体影响，在此进行了轨道改进结果分析。表 2和表3分别为图2和图3所对应的两次海上测控任务分别采用CNS/INS/GNSS与ESGM/ INS/GNSS船姿船位数据的定轨结果偏差，比对标准为某测控中心事后数据处理的精确轨道。轨道计算方法为三元素单位矢量法。

对轨道改进数据试算结果的分析表明，仿真结果与设备方位残差反映的情况基本一致。对于近地近圆轨道，航向数据对定轨半长轴有所改进但是影响较小；使用 ESGM数据对航向进行修正后，轨道半长轴能改进20 m左右；而对于超大偏心率轨道，修正航向数据后，对定轨结果半长轴影响比较明显，轨道半长轴能改进20 km左右。

表2 近地近圆轨道定轨结果Tab.2 Determination results of close earth and nearly round orbit

表3 大偏心率轨道定轨结果Tab.3 Determination results of highly eccentric orbit

6 结 论

ESGM的应用极大提高了测量船船姿船位数据精度，对提高海上测控任务定轨精度具有积极作用。本文分析了测量船海上测控任务定轨的误差来源，进行了轨道改进的数据仿真，利用实测数据的事后数据处理对仿真结果进行了验证。研究结果表明：使用ESGM可以在一定程度上减小无线电设备的方位残差，能够有效提高海上测控任务的定轨精度。

（References）：

[1] 樊士伟, 孟铁男, 高为广, 等. 航天器测定轨技术综述[J]. 测绘科学技术学报, 2013, 30(6): 549-556.

Fan Shi-wei, Meng Tie-nan, Gao Wei-guang, et al. Summarizing on the development of space orbit determination technology[J]. Journal of Geomatics Science and Technology, 2013, 30(6): 549-556.

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[3] AKos D M et al. Low power global navigation satellite system(GNSS) signal detection and processing[C]// Proc. ION GPS 2000. Salt Lake City, UT, 2000: 784-791.

[4] 沐俊山, 刘冰, 薛国虎, 等. 基于测量船的实时定轨改进方法[J]. 电讯技术, 2013, 53(2): 177-181.

Mu Jun-shan, Liu Bing, Xue Guo-hu, et al. Improvement of optimal sequential orbit determination method for TT&C ship[J]. Telecommunication Engineering, 2013, 53(2): 177-181.

[5] 康德勇, 李晓勇, 王旭良. 船位误差对外弹道测量及定轨精度的影响[J]. 电讯技术, 2010, 50(9): 106-109.

Kang De-yong, Li Xiao-yong, Wang Xu-liang. Influence of ship's position error on exterior trajectory measurement and orbit determination[J]. Telecommunication Engineering, 2010, 50(9): 106-109.

[6] 冯鸿奎, 李晓勇, 薛国虎, 等. 航天测量船导航系统ESGM技术[J]. 飞行器测控学报, 2010, 29(1): 28-33.

Feng Hong-kui, Li Xiao-yong, Xue Guo-hu, et al. Application of ESGM technique on space instrumentation ships[J]. Journal of Spacecraft TT&C Technology, 2010, 29(1): 28-33.

[7] Christensen W. Advanced development of ESG strap down navigation system[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1996, 2(2): 143-157.

[8] Zhang Ke-zhi, Tian Wei-feng, Qian Feng. Combination of distributed Kalman filter and BP neural network for ESG bias model identification[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2010, 27(3): 226-231.

Analysis of electrostatic supported gyro monitor’s influence on spacecraft orbit determination precision

ZHOU Hai-yuan, WANG Xu-liang, LI Hong-yan, YANG Heng
(China Satellite Maritime Tracking & Controlling Department, Jiangyin 214431, China)

There was a big difference between TT&C-ship and ground control station in tracking a spacecraft orbit. The ground control station is static, and its orbit determination precision depends entirely on its radio equipment. While the TT&C-ship is dynamic, and its precision is determined more by the ship attitude precision than by its radio equipment. In order to improve the ship attitude’s measurement precision, an integrated INS/ESGM/GNSS navigation system is applied on TT&C-ship. According to the operation principle of the system and the data source selection during measurement of spacecraft orbit determination on TT&C-ship, a simulation is made to analyze the ship attitude data precision’s influence on the orbit determination precision. Simulations by the measured data of radar verify that the precision of spacecraft orbit determination is significantly improved by the data processing, showing that the TT&C-ship orbit determination precision can be improved by the ESGM.

electrostatic supported gyro monitor; integrated navigation system; date simulation; orbit determination precision

U666.1

A

1005-6734(2016)01-0006-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.01.002

2015-10-05；

2016-01-15

周海渊（1982—），男，工程师，从事惯性导航设备应用研究。E-mail: lynn9527@gmail.com