利用Bernese5.2确定LEO卫星厘米级精密轨道

吴琼宝,赵春梅，田华

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院,青岛 266590;2.中国测绘科学研究院,北京 100830)



利用Bernese5.2确定LEO卫星厘米级精密轨道

吴琼宝1,2,赵春梅2，田华1

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院,青岛 266590;2.中国测绘科学研究院,北京 100830)

本文在LEO卫星简化动力学和SLR检核的原理基础上,利用Bernese5.2软件实现LEO卫星简化动力学定轨和轨道检核。将Bernese5.2软件定轨结果与Bernese5.0软件进行对比,单点定位轨道精度提高了30～40 cm,观测值组合定轨在径向、切向和法向上均提高了3 cm左右.将定轨结果与GFZ科学轨道进行比较,利用Bernese5.2解算的卫星轨道其拟合精度更高,径向、切向和法向均优于3 cm.利用SLR检核LEO卫星轨道,其视向精度优于3 cm.

Bernese5.2;LEO;简化动力学; SLR检核

0 引 言

1957年世界上第一颗人造卫星Sputnik发射成功,自此人类对太空的探索不断发展,各国相继发射了一系列人造卫星,进行空间定位、太空探测与地球物理研究。根据人类对卫星的作用需求不同,卫星有不同的类型和轨道高度,其中低轨卫星在科研和应用方面的重大作用而得到迅速的发展,成为地球重力与物理研究的基础。为了低轨卫星在轨任务的顺利进行,对其进行精密定轨尤为重要。

低轨卫星精密定轨分为定轨技术与定轨方法两个方面。在定轨技术方面,传统的GPS定位技术由于成本低、技术成熟、精度高等优势成为低轨卫星的主要定轨手段,随着多普勒系统DORIS、卫星激光测距SLR与精密测距测速PRARE的不断发展,利用其进行定轨得到越来越多的关注。国内外利用DORIS、SLR与GPS定轨技术成功应用于TOPEX/POSEIDON(T/P)卫星,精度达到2～5 cm[1].PRARE系统也成功应用于ERS-2卫星的精密定轨[2]。在定轨方法方面,传统上采用的动力学方法为事后定轨,根据地面或空中的观测数据,结合力学模型来解算低轨卫星的轨道。该方法受力学模型精确度的影响很大,而且由于低轨卫星的轨道高度低,大气阻力等非保守力的影响较大,所以定轨精度受到限制。近年来,随着星载GPS技术的发展,利用低轨卫星上的星载GPS数据解算该卫星的轨道成为可能。基于此,星载GPS定轨方法得到了快速的发展。根据定轨时是否采用低轨卫星动力信息,将定轨方法分为几何法、动力法和简化动力法。其中,几何法定轨是利用星载GPS接收机的伪距和相位观测数据进行结算,不受力学模型的影响,但是受观测数据质量的影响很大[3];动力学定轨是利用低轨卫星动力学模型建立含参数的卫星运动方程,解算出卫星的先验轨道,再通过实测数据对轨道进行改进,得到最优轨道估计值,应用于CHAMP卫星的定轨精度达到4～5 cm[4-5];简动力定轨综合几何法和动力法的优势,在力学模型的基础上附加过程噪声如常用的伪随机脉冲,平衡了观测数据与力学模型的对于定轨结果的影响,从而有效地提高了低轨卫星的定轨精度[6]。

本文利用Bernese5.2软件,结合Grace卫星星载GPS数据和新的力学模型和参数,对低轨卫星进行简化动力学定轨,验证了Bernese5.2版本在低轨卫星精密定轨方面的可用性和精确性;针对简动力轨道进行SLR检验,对结果进行了分析。

1 定轨

1.1 简化动力学原理

低轨卫星位于地球外200～2 000 km范围内绕地球运动,处于大气层中间,受到多种力的作用,包括地球引力、日月引力、地球非球形摄动力、潮汐摄动、大气阻力、太阳辐射压、地球辐射压以及相对论效应影响等。应用牛顿定律,低轨卫星运动微分方程为

(1)

假设先验轨道r0(t)为已知,动力法定轨可视为是一个改善轨道的过程。对r(t)进行泰勒级数展开,并消去未知扰动力参数部分,则真实轨道r(t)可由参数pi的先验值pi0表示:

(2)

式中： pi为轨道参数; n=6+d表示未知参数的个数,6个初始轨道元素与d个动力参数。

简动力定轨与动力法定轨类似,都是采用力学模型和数值积分求解轨道,其不同之处在于简动力定轨在求解轨道时引入伪随机参数来平衡观测数据和力学模型对定轨结果的影响,以此提高定轨精度[7]。

1.2 坐标系与模型参数设置

Bernese5.2版本进行低轨卫星定轨时,提供了在星固坐标系RSW下的结果,使得定轨分析更加方便和直观。RSW坐标系原点位于目标质心,R正轴由地心沿目标方向指向目标质心(径向),S正轴位于轨道坐标平面内与R轴垂直并指向目标运动方向(切向),W正轴与R轴和S轴成右手系。RSW坐标系与RTN坐标系定义相同,本文用Bernese5.2中的RSW坐标系表示。

定轨和SLR检核时需要的力学模型及相关参数设置如表1所示。

表1 Bernese版本参数设置对比

2 SLR检核

卫星激光测距技术是卫星精密定轨的重要手段,其测距精度达到1～2 cm,因此可利用SLR观测数据对低轨卫星定轨结果进行站星距检核。

首先是根据星历计算SLR测站位置和卫星相位中心之间的距离,其距离公式为

(3)

式中: (Xs,Ys,Zs)为卫星的坐标; (Xi,Yi,Zi)为i测站的坐标。将上式计算的站星距归算到SLR测站到卫星质心的距离:

(4)

本文采用的卫星相位中心到卫星质心的补偿修正采用Bernese软件提供的卫星相位中心偏差文件SATELLIT.I08中的修正值。

表2 相位中心质心补偿修正

(5)

3 精度分析

本文利用Bernese5.2软件对GRACE卫星2008年8月1日的星载观测数据进行卫星定轨。

1) 单点定位精度统计。由Bernese5.0和Bernese5.2软件计算GRACE卫星的轨道,然后对每个历元对应的所有导航卫星计算的GRACE轨道坐标进行RMS值的统计,如表3和表4所示.由统计表对比得Bernese5.2软件计算的轨道精度较高,位置精度提高了约40 cm,在惯性坐标系下的X,Y,Z三个方向的精度也相应的提高了30～40 cm.

表3 利用Bernese5.0解算单点定位的轨道精度统计

类别位置精度/mX/mY/mZ/mMIN00257002010021800602MAX85322230004200695261974MEAN14296133341334721244

表4 利用Bernese5.2解算单点定位的轨道精度统计

2) 由非差双频组合观测值解算的卫星简化动力学轨道与GFZ科学轨道进行对比,以及Bernese两个版本软件的定轨结果对比。图1和图2显示,利用Bernese5.2解算的卫星轨道其拟合精度更高,径向、切向和法向均优于3 cm,位置精度优于4 cm。Bernese5.0和Bernese5.2分别进行简化动力学定轨结果对比如表4,Bernese5.2软件定轨三向精度均有所提高,表现在位置精度上,提高了3.5 cm左右。

图1 Bernese5.0软件简化动力学轨道与GFZ科学轨道对比统计

图2 Bernese5.2软件简化动力学轨道与GFZ科学轨道对比统计

版本Bernese50R/mS/mW/mBernese52R/mS/mW/mRMS0052500395003020023600195002083D00720037

表6 SLR检核简化动力学定轨结果统计

3) 利用激光观测数据检核Bernese软件结算的简化动力学轨道,其对比结果如表5,SLR检核Bernese5.2简化动力学轨道的视向精度优于3cm,并且视向精度优于Bernese5.0定轨结果。

4 结束语

本文利用Bernese5.2软件进行LEO卫星定轨,对比之前的5.0版本,精度上有明显的提高,说明模型与参数设置对定轨结果影响较大,钻研新的模型仍然是提高LEO卫星定轨的关键。随着Bernese软件逐渐更新,相信不久便可以处理北斗的数据,利用北斗导航系统进行LEO卫星定轨将会实现。

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Precise Orbit Determination of LEO Satellite Based on Bernese5.2 Software with Cm-level Accuracy

WU Qiongbao1,2,ZHAO Chunmei2,TIAN Hua1

(1.CollegeofGeodesyandGeomatics,ShangdongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.ChineseAcademyofSurveyandMapping,Beijing100830,China)

This paper used Bernese5.2 software to determinate Reduced-dynamic orbit of LEO satellite and validate orbit with SLR data.Compared with Bernese5.0 software,using Bernese5.2 to determinate LEO orbit improved 30～40 cm of Single-pointposition and 3cm of Reduced-dynamic orbit on radial,normal,tangential direction.Compared with GFZ science orbit,the accuracy of LEO’s orbit based on bernese5.2 is better with three direction reach to 3cm.When we validate LEO orbit by SLR data,it shows that the accuracy is better than 3cm.

Bernese5.2; LEO； reduced-dynamic; SLR validation

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.001

2016-05-16

国家自然科学基金(批准号:41274018); 科技部基础专项(编号:2015FY310200); 中国测绘科学研究院基本业务费(编号:7771509)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0001-04

吴琼宝 (1991-)，男，安徽安庆人，硕士生，主要从事卫星定轨技术研究。

赵春梅 (1971-)，女，山东临沂人，研究员，主要从事卫星精密定位与定轨理论与算法研究。

田华 (1989-)，女，山东临沂人，硕士生，主要从事工程测量与工业测量、导航定位技术研究。

联系人： 吴琼宝 E-mail: wuqiongbao@163.com