区域监测网精密定轨与轨道预报精度分析

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1、中国科学:物理学力学天文学2010年第40卷第6期:800~808《中国科学》杂志社SCIENTIASINICAPhys,Mech&Astronwww.scichina.comphys.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文†区域监测网精密定轨与轨道预报精度分析①②③①*①周善石,胡小工,吴斌①中国科学院上海天文台,上海200030;②中国科学院研究生院,北京100049;③国家卫星导航与定位教育部重点实验室,武汉430079*联系人,E-mail:hxg@shao.ac.cn†周济林编委

2、推荐收稿日期:2010-03-08;接受日期:2010-03-15国家高技术研究发展计划(批准号:2007AA12Z345)和上海市科学技术委员会(编号:06DZ22101)资助项目摘要我国导航系统采用区域监测网提供轨道预报等导航服务.由于区域网不能覆盖地球中轨轨道(MediumEarthOrbit,MEO)卫星全弧段,并且受卫星相对于监测网几何条件限制,若采用与全球网相同的定轨和预报策略,预报精度难以满足我国导航系统的指标要求.预报精度决定于定轨获得的初轨和力学模型的精度.针对MEO卫星星座的区域监测网定轨预报

3、问题,本文提出两步法策略,即首先解算部分动力学参数和轨道参数,然后强约束这部分动力学参数的估值,重新解算所有动力学参数和轨道,并利用得到的初轨和动力学参数进行轨道预报.利用实测GPS数据的实验表明,采用两步法定轨策略可获得对动力学参数的合理解算结果,并可提高轨道预报精度,预报1天轨道的平均用户距离精度(UserRangeError,URE)优于0.6m.关键词区域网,定轨,预报,太阳辐射压,UREPACS:95.10.Eg,93.85.Bc,93.30.Db[2]1引言监测网进行定轨与预报.MEO卫星数目多,对导

4、航用户定位的几何强度因子(GDOP)贡献较大.然而由InternationalGNSSService(IGS)采用全球均匀分于区域监测网不能覆盖MEO卫星全部轨道弧段,采布的监测站为GPS提供预报一天精度约为5cm的超用非差方法对单颗MEO卫星进行定轨时,其径向精[1]快速预报轨道和精度约为2.5cm的事后精密轨道.[3]度仅约为3m.单颗卫星精密定轨需对星地钟差简GPS星座由分布于六个轨道面的超过24颗MEO[4,5]化建模,而由于简化模型存在误差,定轨和预报(MediumEarthOrbit)卫星构成.相比之

5、下,我国卫星的精度难以提高.仿真分析表明,需要采用与IGS类导航系统空间部分采用地球静止轨道(GeostationaryEarthOrbit,GEO)/倾斜地球同步轨道(InclinedGeo-似的定轨和预报策略,即多星组网同时解算轨道和[6]stationaryEarthOrbit,IGSO)/MEO混合星座设计,导每个历元钟差参数,才能达到系统设计的指标要求.航系统包括3颗GEO,3颗IGSO和24颗MEO卫星.为了验证仿真分析的结论,本文利用中国区域监测与GPS的全球布网不同,受限于国土地理分布的限网的GP

6、S数据,采用多星定轨方法,同时解算各卫星制,我国导航系统的地面部分采用境内分布的区域轨道、卫星钟差、轨道动力学参数及监测站钟差等参引用格式:周善石,胡小工,吴斌.区域监测网精密定轨与轨道预报精度分析.中国科学:物理学力学天文学,2010,40:800~808中国科学:物理学力学天文学2010年第40卷第6期数,并对区域网多星定轨与预报进行精度分析.若采用1天或2天弧段的区域网定轨,其结果误差太对导航服务而言,主要关注的是轨道预报的精大,而采用4天弧段定轨精度与3天定轨大致相当.度.轨道预报时通常使用定轨结果进行外

7、推.与定轨策略三和策略四与策略二的差别在于对太阳辐射压的误差源(时空参考系、大气模型、动力学建模等)不摄动的不同处理,策略四的运行还需要策略三提供同,预报精度仅决定于定轨获得的初轨和力学模型先验的约束信息.策略三和策略四结合起来就是本的精度.目前IGS采用全球监测网进行定轨解算,监文重点研究的针对区域监测网的定轨预报两步法测站分布较均匀,并且可以覆盖各GPS卫星全弧段,策略.精密定轨力学参数解算精度较高.简单利用定轨解算的动力学参数和卫星初始轨道进行轨道预报就可[7]以得到较高精度的预报轨道.但是仿真计算表明,若

8、将全球监测网定轨预报策略应用于区域监测网,轨道预报的精度无法满足导航系统的指标要求.根据误差协方差理论,由于区域监测网对卫星观测弧长有限、卫星相对监测网几何构形各不相同,使得区域网精密定轨精度显著低于全球网定轨精度,同时根据区域网数据解算得到的动力学参数之间有较强的统计相关性,不利于预报精度的提高.为了详细分析区域网定轨和轨道预报的精度水平,本文以2002-05-03~2