CHAMP和GRACE-A/B反演大气密度数据评估分析

利用Colorado大学公开发布的2001-2008年CHAMP和GRACE-A/B三颗卫星加速度计反演的400km高度上的大气密度数据,以大气模式NLRMSISE-00为参考,分析反演数据与模式值的误差特点、产生误差的原因、密度的变化及合理性,并通过卫星轨道两行根数（TLE）的反演结果进行验证,主要结论如下.CHAMP密度值整体稍高于GRACE-A/B,CHAMP密度与模式值之间的误差整体小于GRACE-A/B,2007-2008年 GRACE-A/B与模式的相对误差变化起伏较大.2001年CHAMP与模式存在整体偏差,通过相似空间环境条件下的密度变化比对以及利用TLE的反演结果验证,确定2001年的CHAMP反演密度整体偏低.CHAMP及GRACE-A/B密度变化个例显示,卫星密度值会出现一些个性化特征,使用时应根据需求进行分析处理.研究结果可为合理应用该数据提供参考.      

信道模拟系统动态零值在线标校方法

利用信道模拟系统进行卫星导航系统仿真试验过程中,环境模拟通道的零值漂移会造成无法消除的系统误差,因此需要在仿真运行的过程中对通道零值进行在线标校.基于直接序列扩频体制时延标校接收机的传统零值标校方法,无法解决在线标校时通道零值与设定空间仿真传输时延耦合及多址干扰问题.根据环境模拟通道的空间仿真传输时延变化机理,提出了分离通道零值与设定空间仿真传输时延的方法,并对自校信号测量时的多址干扰强度及抑制方法进行了分析.经过理论分析和仿真计算,所提出的在线零值标校方法精度可达亚纳秒量级.     

基于相关系数AR模型的陀螺随机漂移分析方法

陀螺漂移序列的均值和方差随时间不断变化,不属于传统的相关函数平稳序列,因此采用传统的平稳序列分析方法对其处理必然导致较大的误差．通过对大量陀螺漂移数据分析发现,大多数陀螺漂移序列的相关系数并不随时问的平移而变化,是时间间隔的单变量函数,因此,它们属于相关系数平稳序列．在此基础上,建立了基于相关系数AR模型的陀螺漂移分析方法．该方法首先对陀螺漂移数据是否属于相关系数平稳序列进行判别,然后采用相关系数AR模型建模并给出模型参数的估计方法,最后可根据得到的相关系数AR模型对陀螺漂移进行估计和补偿．由于相关系数平稳序列能够对陀螺漂移序列的本质特征进行描述,因此较传统方法具有更高的建模精度和补偿精度．     

MEMS陀螺仪随机误差滤波

针对微机电系统(MEMS,Micro Electromechanical System)陀螺仪的随机漂移,基于小波多尺度分析,利用bior1.5小波对陀螺仪的随机漂移进行深度为4的分解,重建各尺度信号,采用时间序列方法对陀螺仪各尺度随机漂移进行建模,与传统时间序列方法建模相比,降低了模型的预测误差.并构建了模糊自适应Kalman滤波,利用模糊控制方法基于残差均值与方差差值对噪声方差阵进行实时调整,提高对重建后的各尺度信号随机噪声滤波效果.通过一系列对比实验证明,基于多尺度分析的模糊自适应Kalman滤波对于消除MEMS陀螺仪随机漂移误差作用明显.通过Allan方差分析,滤波后的数据各随机误差项均得到有效减小.     

基于遥测数据动态特征的卫星异常检测方法

基于遥测参数分析异常是保证卫星正常在轨运行的基础,通常采用阈值法判断遥测参数是否超差来判断卫星工作状态,由于其无法检测在阈值范围内变化的卫星遥测数据异常,因而会导致故障漏报.本文利用遥测参数动态变化特性,提出一种基于遥测数据变化规律检测异常的方法.利用周期图谱法求解遥测参数周期,根据遥测数据各周期之间参数值的相似性,按照遥测参数周期对数据进行采样,得到平稳差分序列,对其建立自回归移动平均混合模型,通过精确的预测结果与实测遥测数据比较来发现异常.利用该方法对实际在轨运行的某卫星2012年5月太阳能帆板转动异常故障进行验证,结果表明其能够有效避免故障漏报.      

基于轨道预报的热层模式评估

在太阳活动高低年的地磁平静/扰动环境下,利用不同热层大气模式J77,DTM78,MSIS00,JB2008和CHAMP加速度计反演密度,分析有无先验信息条件下的轨道预报误差.结果表明无先验信息的精密轨道预报中,热层模式的性能可能被弹道系数等参数偏差干扰,此时预报误差不能作为模式性能的评价标准.先验信息对轨道预报精度提升非常明显,尤其是地磁扰动期先进热层模式性能得以展现,轨道预报误差为无先验信息情况下的10%～25%.目前热层模式的主要缺陷存在于地磁扰动期.各模式之间的差异是:JB2008模式可以通过线性和单一频率周期项补偿,而J77及DTM78等模式还存在更多频率的误差.本文对不同情况下精密轨道预报的研究结果可为空间碎片碰撞预警等工程实践提供参考.      

倾斜同步轨道卫星交叉点位置演化及保持

倾斜同步轨道(IGSO)卫星交叉点位置在各种轨道摄动因素和入轨偏差的共同影响下,其交叉点位置会在赤道上发生漂移,这种漂移将导致服务区域的漂移,从而影响系统的性能,因此IGSO卫星需要进行定期的交叉点位置保持来保证服务的稳定。对IGSO卫星交叉点位置的演化和保持问题进行了深入的研究,首先,讨论了IGSO卫星交叉点位置的演化规律,给出了在地球非球形引力、日月引力摄动以及卫星入轨偏差作用下的交叉点位置的演化公式,并分析了公式的精度;接着,在对交叉点位置演化规律的分析基础上,进一步讨论了IGSO卫星交叉点位置保持策略。     

大气行星波对LF和VLF无线电波传播的影响

本文采用最大熵谱估计方法,对1985-1987年三个冬天,在东半球(20°S—65°N、13°E—141°E)白天观测的LF和VLF电波相位、幅度、卫星观测的Ly-α射线通量及高纬上空的行星波活动等大量资料,进行了熵谱分析。观测及分析结果表明:(1)LF和VLF电波的相位具有2—2.2天、3—4天、6—12天、12—20天、20—32天周期范围的行星尺度扰动.Ly-α射线辐射通量主要具有20—32天周期范围内的波动.(2)发现在中纬地区冬天观测的LF电波幅度大的扰动与高纬60°N上空观测的行星波H_1的变化规律非常一致. 波形结构的主要峰和谷几乎完全对应,仅在时间上前者约滞后3—4天.计算给出两者的相关系数在0.65—0.85之间.根据观测事实和谱分析结果对比,作者认为LF和VLF电波相位、幅度周期在20天以上的扰动主要受太阳Ly-α辐射通量变化的控制.冬天其周期在2—20天范围内的扰动,主要受来自对流层和下平流层中激发的大气行星波的影响.     

基于移动站的转发式地面站设备时延标校方法

在转发式卫星测定轨系统中,基于伪码测距原理的星地距离测量是实现卫星精密定轨和高精度时间比对的基础。为获得高精度的星地距离,需要将地面站设备时延从伪码测距值中精确扣除。在转发式卫星测轨原理的基础上,提出了基于移动站的转发式地面站设备时延标校方法,实现了对转发式地面站设备时延的标校,标校精度能够优于0.5ns,对提高转发式卫星定轨精度和卫星双向时间比对精度具有重要作用。     

低轨Walker星座构型偏置维持控制方法分析

针对低轨（low earth orbit,LEO）Walker星座构型稳定性维持问题,分析了低轨卫星的轨道摄动和星座构型稳定性的影响因素。通过分析低轨Walker星座的轨道摄动和相对漂移特点,提出了两次偏置策略。首先,依据未偏置时星座相对漂移量拟合得出第一次偏置时的偏置量。然后利用第一次偏置后的相对漂移量拟合得出第二次偏置量,消除残余项影响。两次偏置量叠加,使相对漂移大大降低。结果表明,低轨Walker星座中各卫星的初始参数偏差造成了升交点赤经和沿迹角相对漂移的发散,两次偏置策略可将两种星座的相对漂移量降至0.1°以下,证明了策略的有效性,提高了星座构型稳定性。     

加速度计参数变化建模方法

通过归纳工程上常用数据建模方法及其应用特点,且结合贮存条件下加速度计零偏和标度因数试验测量数据变化规律,综合给出了建立零偏时间序列模型和标度因数回归模型的详细步骤,并据此建立了贮存条件下加速度计零偏和标度因数的变化模型,所建模型预测的数据与真实数据相比误差很小,充分验证了模型的有效性.所建模型真实地反映了零偏随机性变化规律和标度因数趋势性变化规律的特点,可以为加速度计零偏和标度因数随时间变化的补偿模型提供参考,为加速度计参数长期变化稳定性水平评价提供手段.     

CHAMP and GRACE accelerometer calibration by GPS-based orbit determination

Current and planned Earth observation missions are equipped with highly sensitive accelerometers. Before using the data, the instrument has to be calibrated by determining scale and bias parameters for each axis. Here, the accelerometer measurements are used in a GPS-based reduced-dynamic orbit determination approach, replacing the non-gravitational force models, and nominally daily calibration parameters are estimated. Additional empirical accelerations are estimated to account for deficiencies in the applied force models. This method is applied to 5 years of CHAMP and GRACE data, resulting in an orbit precision at the level of a few centimeters. In along-track direction the calibration parameters can be estimated freely, scale factors of 0.96 ± 0.014 and 0.95 ± 0.015 are obtained for GRACE A and B, and 0.85 ± 0.024 for CHAMP. A constant scale factor results in the smoothest bias series, with clear trends and occasional jumps. In radial and cross-track direction tight constraints to a priori biases have to be applied. Furthermore, the determined orbits are analyzed with respect to reference trajectories, and SLR, phase and KBR residuals are presented.     

SINS外场系统级标定方法的优化——最佳六位置

静态多位置标定问题,不同位置编排方式会影响辨识精度.针对六位置标定方法,通过建立位置编排与惯组9个误差参数(加速度计零偏、标度因数误差和陀螺零偏)标定精度之间的关系,将惯组位置编排问题转化为Fisher信息矩阵的优化问题,并在A-最优、D-最优和E-最优3个优化指标下,给出了惯组位置编排的最优方案,通过仿真与满足可辨识条件的一组位置编排比较,结果表明最优方案能够提高加速度计零偏和标度因数误差的标定精度.      

旋转式光纤陀螺惯导系统随机误差抑制技术

采用旋转调制技术能够有效降低陀螺常值漂移和加速度计常值零偏对导航系统精度的影响,但其对陀螺随机漂移和噪声几乎没有抑制作用.惯导系统在随机干扰的作用下输出误差将发散,影响系统长时间的导航定位能力.通过对抑制随机干扰误差的阻尼技术进行研究,提出一种具有阻尼特性的旋转式光纤陀螺惯导系统,利用阻尼技术抑制随机干扰对导航系统精度的影响.从仿真结果可以看出,具有阻尼特性的单轴旋转光纤陀螺惯导系统精度提高1倍以上.当系统采用更高精度的惯性仪表时,随机误差的阻尼抑制效果将更明显.     

基于相关向量机的MEMS加速度计零偏温漂补偿

应用相关向量机（RVM,Relevance Vector Machine）回归预测方法建立了基于RVM的零偏温漂预测补偿模型,利用温度值和温升速率作为输入可预测不同温变过程下的加速度计零偏温漂,探讨了不同训练样本数量、核函数类型和不同的核函数宽度对预测补偿效果的影响,最后应用环境温度试验数据对模型进行检验和验证.结果表明：基于RVM的零偏温漂预测补偿模型能够有效的预测微机械（MEMS,Micro Electro Mechanical Systems）加速度计零偏温漂,模型预测的均方根误差小于1%,补偿后滞环误差最大由0.06g缩减为0.015g.     

基于模糊理论的加速度计标度因数稳定性分析

运用模糊理论描述了影响加速度计标度因数稳定性诸多因素的不确定性问题,针对其中的磁钢磁感应强度和石英摆片热膨胀系数两类稳定性影响因素,给出了其三角模糊数区间,并通过该型加速度计的磁-结构耦合ANSYS分析求出了在模糊参数不同组合下的仿真输出,根据仿真输出结果获得了标度因数模糊稳定区间,给出了加速度计标度因数稳定性分析流程及实例.分析说明了基于模糊理论的稳定性分析方法可以为加速度计加速稳定试验截止条件提供依据,对提高加速度计标度因数长期稳定性水平具有重要意义.     

Asymmetrical structure in the thermosphere during magnetic stroms as deduced from the CACTUS accelerometer data

During the last solar activity minimum, a great deal of very precise total density data was obtained in the equatorial regions from the CACTUS accelerometer experiment. Due to the eccentricity of the orbit, it is also possible to determine a density scale height by considering that the density profiles between the perigee (270 km) and 400 km are quasi-vertical. Densities and density scale heights are analysed during magnetic storms and their variations are compared with their behaviour during quiet periods. For densities as well as for scale heights, an asymmetrical structure in latitude and longitude is exhibited with respect to the magnetic equator. Their values are relatively higher in the northern hemisphere than in the southern one. The hypothesis (previously suggested) of a greater energy input in the southern hemisphere inducing asymmetrical winds, explains the results well.     

Global monitoring of tropospheric water vapor with GPS radio occultation aboard CHAMP

The global positioning system radio occultation (GPS RO) technique provides a powerful tool for atmospheric sounding which requires no calibration, is not affected by clouds, aerosols or precipitation, and provides an almost uniform global coverage. The paper deals with application of GPS RO measurements from CHAllenging Minisatellite Payload (CHAMP) for the retrieval of tropospheric water vapor profiles. CHAMP RO data are available since 2001 with up to 200 high resolution atmospheric profiles per day. We introduce a new direct method for water vapor retrieval from GPS RO data. Additionally, a 1Dvar algorithm is used for this purpose. The so derived CHAMP water vapor profiles are validated with radiosonde data on a global scale. Here, both methods come to statistically comparable results revealing a negative bias of less than 0.1 g/kg and a standard deviation of less than 1 g/kg specific humidity in the mid troposphere. Potentials of CHAMP RO retrievals for monitoring the mean tropospheric water vapor distribution on a global scale are presented.     

三轴转台误差对加速度计误差模型系数标定精度的影响

为了更精确地在三轴转台上标定惯性组合中的加速度计,建立了三轴转台的误差模型,推导了加速度计输出与转台误差、加速度计安装误差间的关系,分析了转台误差对加速度计输出计算精度的影响,建立了转台误差与加速度计误差模型系数的标定误差之间的联系.分析结果表明转台误差对标度因子KI以及交叉耦合误差KIO、KOP、KIP影响较大.文中方法对确定转台的精度指标和进一步提高惯性仪表标定精度以及误差补偿提供了一定依据.     

Variations of density scale height between 300 and 400 km

Density data from the French CACTUS accelerometer are used to determine values of density scale height. An analysis shows a diurnal effect in the variations of scale height. There exists a correlation between geomagnetic activity and variations of scale height. Variations of the gradient of scale height are shown and analysed.