基于双频GPS观测的简化动力学最小二乘批处理精密定轨

星载双频GPS载波相位和伪距观测量已成为低轨卫星获取精确三维位置和速度信息的主要方式. 本文以非差消电离载波相位和伪距组合作为观测量,应用简化动力学最小二乘批处理方法进行地球低轨卫星的精密定轨,并给出完整定轨流程. 采用逐段常量的经验加速度对动力学模型误差进行补偿,描述了经验加速度敏感矩阵及稀疏带状矩阵求逆的有效计算方法. 利用GRACE-A卫星GPS观测数据对定轨位置精度进行分析,结果显示,三维位置定轨精度优于5cm,经验加速度在径向、切向和法向上的补偿水平不超过40nm·s-2,大气阻力系数和辐射光压系数的估计值符合物理实际,星载接收机钟差大致呈线性并具有短周期小波动.      

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度，传统几何定轨法精度受限，只能达到亚米级，而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解，定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能，利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品，对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算，与事后精密轨道结果进行比较，分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据，切向与径向的定轨精度可达2cm左右，法向为5cm左右，较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。     

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨

为满足搭载单频GPS接收机低轨卫星的精密定轨需求以及深化单频定轨研究,文中解决了单频星载GPS数据的周跳探测问题,并利用“海洋二号”（HY-2A）卫星及“资源三号”（ZY-3）卫星的单频星载GPS实测数据采用两种方法确定了二者的简化动力学轨道,并通过观测值残差分析、与双频精密轨道比较、激光测卫数据检核等方法对所得轨道精度进行评定。结果表明,在不考虑电离层延迟影响的情况下,HY-2A卫星定轨精度为2~3dm,ZY-3卫星为1m左右;而采用半和改正组合消除电离层延迟一阶项影响后,二者定轨精度均显著提高,HY-2A卫星三维精度提高至1dm左右,ZY-3卫星提高至1~2dm。文章的研究成果表明,搭载单频GPS接收机的低轨卫星也可获得厘米级的定轨精度。     

卫星与测站钟差支持条件下的GEO卫星精密定轨

在基于伪距的GEO卫星精密定轨中, GEO卫星的静地特性导致定轨解算无法对星地组合钟差进行有效估计, 需要独立的时间同步支持. 本文讨论了卫星和测站钟差支持条件下的GEO卫星定轨原理, 利用仿真数据系统地分析了中国区域网跟踪条件下GEO卫星的定轨精度, 从定性和定量角度分析了钟差二次项、星地时间同步精度、站间时间同步精度及系统差等因素对定轨精度的影响.      

“北斗”导航卫星定轨残差特征提取与分布检验

针对"北斗"导航卫星定轨残差中非建模系统误差问题,提出基于总体平均经验模式分解(EEMD)与Hilbert谱分析相结合的定轨残差特征提取方法,并对定轨残差正态分布特性进行卡方检验。首先,分析总体经验模式分解原理,提出滤波辅助的改进EEMD方法与Hilbert谱特征提取结合,建立定轨残差特征提取模型,并阐述卡方检验正态分布原理;然后对北斗导航卫星伪距与载波相位数据定轨残差特征进行分析;最后将提出的方法应用于多测站、多北斗GEO卫星的定轨残差分析中。结果表明,EEMD与Hilbert谱方法有效提取出了定轨残差中1天的轨道周期项,且EEMD处理后定轨残差的卡方统计量为5.5,其值小于卡方检验临界,可视为正态分布。该方法可为北斗定轨残差中非建模系统误差分离、提高定轨内符合精度提供有效技术手段。     

导航卫星的地面站定轨算法

导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分,而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此,研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测,将导航卫星钟差参数作为状态量,推导了滤波算法的状态方程、测量方程,并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导航卫星为例进行了2天的仿真试验,考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断,并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明,4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级,钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级,并且在滤波中断后重启滤波器,仍然可以达到此估计精度,表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。     

单星导航HEO卫星初轨确定算法

HEO(Highly Elliptical Orbit)轨道卫星利用星载GPS(Global Positioning System)进行自主定轨面临的主要难题之一就是解决在单颗导航卫星条件下的初轨确定问题.从理论上分析了利用单颗导航卫星的观测量确定HEO卫星轨道初值的所需满足的条件,指出了利用F.G级数法求解初值存在的问题,提出了一种基于轨道根数约束的迭代批处理算法,该算法无需复杂的数学运算,避免了F.G级数法用短弧资料定初轨时系数矩阵秩亏的影响.仿真结果表明,当先验轨道根数误差在允许范围内取值时,在考虑轨道射入误差的情况下,初值的位置偏差在10⁴ m量级,速度偏差在10⁰ m/s量级,能够根据单颗导航卫星的短弧观测值可靠地完成轨道初值的确定.     

近地卫星的GPS自主定轨算法研究

为了用GPS实现近地卫星的高精度自主定轨,提出了采用序贯UD协方差分解滤波算法作为定轨算法.完整地给出了序贯UD分解算法的计算公式,详细地推导了系统的状态方程和观测方程,建立了由9维状态向量和8维观测向量组成的导航系统模型.最后作了数字仿真试验,试验结果表明,文中的定轨算法既有较高的精度又便于星上计算机的实现.      

星载GPS几何法实时定轨有关问题的研究

首先讨论了星载GPS几何法实时定轨的绝对定位方法和各种差分技术。由于伪距差技术能克服GPS卫星的星历误差、卫星钟误差，特别是SA误差的影响，而且实现难度不大，所以应用它来实时定轨。实测数据的处理表明，它能明显提高定轨的精度。然后分析了星载GPS所受扰动影响的情况，对应用抗差估计削弱GPS卫星信号扰动的影响进行了试验，试验的结果说明抗差估计能进一步提高星载GPS几何法定轨的精度。     

天地基联合多星定轨及精度分析

数据中继卫星和双星定位系统通常由2或3颗地球同步卫星和数颗近地卫星组成,这些系统所提供的“星-星”测量数据提出了多星同时定轨的需求。文章介绍了已知天基星星历定轨和未知天基星星历定轨的主要差别,建立了距离和观测量的测量模型,描述了多星同时定轨的技术难点,分析了整个系统的定轨精度。     

双站跟踪模式下“嫦娥4号”中继星定轨仿真分析

位于地月平动点的探测器因为较差的观测几何,需要地基USB/UXB与天文VLBI长时间的联合跟踪数据获取稳定精确的轨道。提出了利用中国深空网双站共视跟踪平动点探测器,获取双程、三程测距及VLBI测量数据,解算探测器精确轨道的模式。以"鹊桥"卫星为分析对象,首先评估中国深空网对"鹊桥"的跟踪能力。然后分析不同观测组合模式下的定轨计算精度。结果表明:双站共视约束下,深空站每天对"鹊桥"跟踪弧长大于5 h;使用长于6 h的双站跟踪数据进行定轨,系统差的解算更有利于轨道精度提升;跟踪时长超过2天时,必须在轨道解算的同时估计光压系数,并有望实现优于百米的轨道精度。     

Enhancing the kinematic precise orbit determination of low earth orbiters using GPS receiver clock modelling

Clock error estimation has been the focus of a great deal of research because of the extensive usage of clocks in GPS positioning applications. The receiver clock error in the spacecraft orbit determination is commonly estimated on an epoch-by-epoch basis, along with the spacecraft’s position. However, due to the high correlation between the spacecraft orbit altitude and the receiver clock parameters, estimates of the radial component are degraded in the kinematic approach. Using clocks with high stability, the predictable behaviour of the receiver oscillator can be exploited to improve the positioning accuracy, especially for the radial component. This paper introduces two GPS receiver clock models to describe the deterministic and stochastic property of the receiver clock, both of which can improve the accuracy of kinematic orbit determination for spacecraft in low earth orbit. In particular, the clock parameters are estimated as time offset and frequency offset in the two-state model. The frequency drift is also estimated as an unknown parameter in the three-state model. Additionally, residual non-deterministic random errors such as frequency white noise, frequency random walk noise and frequency random run noise are modelled. Test results indicate that the positioning accuracy could be improved significantly using one day of GRACE flight data. In particular, the error of the radial component was reduced by over 40.0% in the real-time scenario.     

Precision orbit determination performance for CryoSat-2

In this paper we discuss our efforts to perform precision orbit determination (POD) of CryoSat-2 which depends on Doppler and satellite laser ranging tracking data. A dynamic orbit model is set-up and the residuals between the model and the tracking data is evaluated. The average r.m.s. of the 10?s averaged Doppler tracking pass residuals is approximately 0.39?mm/s; and the average of the laser tracking pass residuals becomes 1.42?cm. There are a number of other tests to verify the quality of the orbit solution, we compare our computed orbits against three independent external trajectories provided by the CNES. The CNES products are part of the CryoSat-2 products distributed by ESA. The radial differences of our solution relative to the CNES precision orbits shows an average r.m.s. of 1.25?cm between Jun-2010 and Apr-2017. The SIRAL altimeter crossover difference statistics demonstrate that the quality of our orbit solution is comparable to that of the POE solution computed by the CNES. In this paper we will discuss three important changes in our POD activities that have brought the orbit performance to this level. The improvements concern the way we implement temporal gravity accelerations observed by GRACE; the implementation of ITRF2014 coordinates and velocities for the DORIS beacons and the SLR tracking sites. We also discuss an adjustment of the SLR retroreflector position within the satellite reference frame. An unexpected result is that we find a systematic difference between the median of the 10 s Doppler tracking residuals which displays a statistically significant pattern in the South Atlantic Anomaly (SSA) area where the median of the velocity residuals varies in the range of ?0.15 to +0.15?mm/s.     

深空测控网干涉测量系统在“鹊桥”任务中的应用分析

在"嫦娥4号"任务的第一阶段—"鹊桥"阶段,北京航天飞行控制中心利用佳木斯及喀什深空站对"鹊桥"进行了干涉测量观测,获取了实时与事后的高精度测角观测量,有效支持了任务的实施。两深空站需同时完成测控任务,无法交替射电源观测来进行系统差标校,基于此系统采用了长时间隔、在航天器观测前及双站结束后观测射电源的标校方法,在地月转移段、月球至L2转移段、Halo轨道形成段开展了多次干涉测量观测,所获得的时延、时延率结果直接应用于事后联合轨道确定,结果表明:深空网的时延观测精度约为3 ns。     

编队星座相对位置精确测定与自主定轨方法

针对编队飞行星座,提出了一种全自主的高精度定轨与相对位置精确测定方法,对其主要关键技术之一的空间绝对定向的基本方案及其可行性和指标进行了研究,并进行了仿真验证.结果表明,通过编队星座星间高精度的距离测量和绝对定向观测,可以实现无需地面测控站和卫星导航系统支持下的编队星座全自主导航方案;在一定测距和测向误差条件下,绝对定轨精度可以优于20m,相对位置确定精度可优于10cm.相对误差与采样间隔有较明显关系,未来可考虑采样间隔控制在10s以内即可;绝对位置误差大小与采样间隔无明显关系,其中的主要误差是星座的整体平移误差.仿真结果验证了所提方案的正确性.      

Precise orbit determination and baseline consistency assessment for Swarm constellation

Precise orbit determination (POD) and precise baseline determination (PBD) of Swarm satellites with 4 years of data are investigated. Ambiguity resolution (AR) plays a crucial role in achieving the best orbit accuracy. Swarm POD and PBD based on single difference (SD) AR and traditional double difference (DD) AR methods are explored separately. Swarm antenna phase center variation (PCV) corrections are developed to further improve the orbit determination accuracy. The code multipath of C1C, C1W and C2W observations is first evaluated and clear variations in code noise related to different receiver settings are observed. Carrier phase residuals of different time periods and different loop tracking settings of receiver are studied to explore the effect of ionospheric scintillation on POD. The reduction of residuals in the polar and geomagnetic equator regions confirms the positive impact of the updated carrier tracking loops (TLs) on POD performance. The SD AR orbits and orbits with float ambiguity (FA) are compared with the Swarm precise science orbits (PSOs). An average improvement of 27 %, 4 % and 16 % is gained in along-track, cross-track and radial directions by fixing the ambiguity to integer. For Swarm-A/B and Swarm-B/C formations, specific days are selected to perform the DD AR-based POD during which the average distance of the formation satellites is less than 5000 km. Satellite laser ranging (SLR) observations are employed to validate the performance of FA, SD AR and DD AR orbits. The consistency between the SD AR orbits and SLR data is at a level of 10 mm which shows an improvement of 25 % when comparing with the FA results. An SLR residuals reduction of 15 % is also achieved by the DD AR solution for the selected days. Precise relative navigation is also an essential aspect for spacecraft formation flying missions. The closure error method is proposed to evaluate the baseline precision in three dimensions. A baseline precision of 1–3 mm for Swarm-A/C formation and 3–5 mm for Swarm-A/B and Swarm-B/C satellite pairs is verified by both the consistency check and closure error method.     

一种用于同步静止卫星监测的微型VLBI网

针对地球静止轨道（GEO）卫星全天时全天候高精度的监测需求，考虑传统甚长基线干涉（VLBI）测站高成本、高投入和GEO卫星专用观测时段有限等制约条件，研发了简易型VLBI观测系统，并组建了包括上海、都匀和乌鲁木齐三站的微型VLBI网（micro VLBI network，MVN），开展了并置站测试以及对GEO卫星亚太6C的连续监测，并评估了当前MVN的观测能力。结果表明MVN扣除系统差后的单站接收精度为2ns，各基线观测时延拟后残差约几纳秒，GEO目标实测位置精度为百米级（内外符精度分别约100m和400m）。不同于传统VLBI和其他GEO监测手段，MVN还具备全天时、全天候、低造价、易布设及易推广等特点，充分表明了其在GEO卫星监测领域的应用价值。     

中继卫星支持海量航天器在轨测控技术

目前中低轨的卫星在轨测控主要基于地面测控设备,当管理的在轨卫星数量持续增加时,需要不断地建设新的测控站或增加测控设备,同时由于地球遮挡限制,一个地面测控站的测控范围只占一颗卫星运行弧段的很小部分,集中在国内建设的地面测控站无法解决轨道全弧段覆盖难题。地球静止中继卫星系统的高覆盖特性和多址服务能力为近地卫星在轨测控提供了空间和频域的多重复用能力,文章从中继链路性能、多目标服务项目、多目标服务能力、覆盖特性等方面进行了详细分析,结果表明在现有的管理模式下,3颗具有多址能力的中继卫星就能管理中国目前在轨的和今后一段时间发射的所有近地卫星,这将显著降低在轨卫星对地面测控设备的需求。同时,中继多址测控服务模式可以克服现有在轨卫星管理时间域集中和应急能力差的缺陷,为卫星用户提供更多的服务手段,满足不同在轨卫星管理和使用要求,大幅提升在轨卫星的安全性和使用效率。