分米级USB 测距在GEO 卫星定轨中的应用

陈建荣，李俊峰，李少敏，刘 蓉

（1. 清华大学航天航空学院，北京 100084；2. 宇航动力学国家重点实验室，西安 710043）

随着对地观测技术和应用需求的快速发展，米级至厘米级的定轨精度需求日益凸显。由于地理位置的影响，GEO 卫星的观测几何强度较差[1]；需要频繁地实施机动控制对GEO 进行位置保持，这些给GEO 精密定轨预报带来一定难度[2]。

国内外对GEO测定轨展开了新技术理论研究和实验[3]。当前，GEO 常用测控手段是测距精度为m 级USB 设备[4]，其定轨精度为百米量级，可以完成卫星常规测控任务。为提高USB 测距精度，利用SJ-17卫星上搭载的S 频段非相干高精度测距应答机，将新研制的地面高精度测距试验样机（NUSB）接入三亚（SY）、喀什（KS）、青岛（QD）USB 系统，借用USB 设备天线伺馈及信道分系统，开展了7天测定轨在轨试验。

本文针对S 波段高精度测距试验数据，建立了高精度测距模型，分析了试验测距数据对于GEO 的定轨精度影响。

1 新S 波段统一扩频测距数据

分米级测距试验样机的测距数据R 为：

式中，R_0 为设备最大无模糊距离内的原始距离测量值；R_0g 为地面设备距离零值；R_01g 为地面设备距离零值附加修正量；R_s 为卫星应答机零值；R_s1为卫星应答机零值附加修正量；R_atm 为大气折射修正量；R_phase 为天线相位中心修正。其中QD 和SY 两站的地面设备零值R_0g 是采用标校塔标校得到的，而KS 站的设备地面零值填入的是实时的R_srev/2（R_srev 为偏馈校零的双程距离）。

2 定轨试验与分析

2017年9月18日-25日开展测定轨试验。首先利用精度约为10.0m[5]的弱GPS 定轨结果检验测距数据。图1给出了测距数据的观测数据与计算真值之间的互差O-C，可以看出，三站存在明显的系统误差，KS 测距系统误差明显大于QD 和SY 的系统误差。

图1 以弱GPS定轨结果为基准，三站测距数据的O-C

利用7天测距，固定SY 系统误差为0.0m，估计QD 和KS 系统差分别为-2.76m 和-20.72m。QD、KS 和SY 测距残差分别为41.91cm、31.81cm 和50.35cm。KS 系统误差远大于其他两站的，是因为测量设备通过偏馈完成实时校零，无法精确获得设备地面零值。

图2 是NUSB 和USB 数据分别定轨的残差RMS。结果表明，USB 在1.24m 和4.33m 之 间，NUSB 从21.0cm 变 化 到32.0cm。NUSB 的测量精度明显高于USB。

图2 NUSB和USB数据分别定轨的残差

图3给出两天数据定轨与标准轨道比较的偏差，其中径向轨道平均偏差优于1.0m，切向平均偏差为7.04m，法向平均偏差小于5.0m，三维位置平均偏差为8.95m。

图3 定轨误差（与标准轨道比较）（1σ，单位：m）

3 结束语

针对GEO 卫星开展高精度测距测定轨试验。本文建立了高精度测距模型，分析了系统误差对定轨精度的影响。结果显示测距残差优于50cm，满足样机的设计指标；与标准轨道比较，三维位置平均偏差为8.95m（1σ）。