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1、星基多卜勒轨道确定和无线电定位组合系统（DORIS）●懈嗵/移j}.控制工程17星基多卜勒轨道确定和无线电定位组合系统(DoRIS)潘科炎,/摘要本文阐明DoRIs系统的工作原理,系统结构组成,数据采集和处理一过程介绍j系统的运行性能,并进行7简要的误差分析,最后综合并展望1DORIS系统的应用前景.;l言DORIS星基多勒轨道确定和无线电定位组台系统是"DopplerOrbitographyandRadioPositioningIntegratedbySatellite"的主词缩写.该系统是由法国航天局(C
2、NES),法国空间测地研究院(GRGS)和法国国立地理研究所(IGN)为满足航天器高精度定轨和地面目标精确定位的新需求而设计和研制的.DORIS系统利用星载DORIS接收机测量卫星飞经地面站时地面信标发射信号和DORIS接收机接收信号之间的多h勒额移来实现精确定轨和定位.DORIS系统有许多特点,其上行链路发射分系统(从地面信标到卫星)的运行可实现完全自动化,且系统内部的通信非常简单.目前DORIS系统的星上仪器已装备SPOT系列和TOPEX/POSEIDON海洋观测卫星的有效载荷,其运行性能良好,达到了预定
3、的定轨和定位性能要求.未来的轨道平台也可装备DORIS接收机,预期可达到几el'll级的定位精度.一,工作原理DORIS系统根据星载DoR1s接收机测量卫星飞经地面站时地面信标发射的无线电信号与DORIS接收机接收到的无线电信号之间的多h载频移来实现精确定轨和定位.DORIS系统的心脏是一台可以精确测量地面站发射信号载波频率的星载DORIS无线电接收机,当星上接收机处于地面定轨信标(其位置精确已知)发射信号的视场内,就可测得两个发射信号频率(2036,25MHz和401.25MHz)的多h勒频移.其中一个发射
4、信号的多h勒频移用来确定卫星与地面信标之间的相对速度Vr,即—cd,d/A,这里C为光速,△为多勒频移,f为发射信号频率.另一个发射信号的多h勒频移用来修正信号电离层传播延迟所引起的误差.分析所采集的跟踪数据,并利用作用在卫星上的干扰力(主要是地球重力场的引力)的数学模型,可改进卫星轨道位置的确定精度.一旦卫星轨道精确确定,进行类似的测量就可精确确定地面信标的位置.l8控制工程二,系统结构DORIS系统的结构组成如图1所示,它由星上和地面两部分组成.星上部分包括:星载DORIS双频接收机,重17kg,功耗20
5、W,体积285X280X210;超稳晶体振荡器,在10～100s周期内的短期稳定度可达5XlOI1;全向天线.DORIS星载接收机框图如图2所示.在接收机的锁相回路内有一级低噪声放大器(LNA)和两级中放(IF1和IF2).IF2中的石英滤波器带宽3dB,即2GHz通道的3dB带宽为1.5kHz.这种三阶滤波器的噪声带宽小,没有相位跟踪误差,它作为中频滤波器可防止载波信号受相近离散伪信号的干扰.DORIS接收机可搭载在一大类对地观测卫星上.要求搭载卫星具有较完善的姿态控制功能,卫星应置入高度为750～1500
6、km的近地圆轨道,轨道倾角可任意.轨道太高,则信标发射信号的衰减过大;而轨道太低,则地球重力场模型误差和大气阻力所产生的轨道摄动误差会降低系统的测量精度.图1DORIS系统的结构地面部分包括:由分布于全球的约50个地面定轨信标(ODB)组成的定轨信标网;由若干地面定位信标(GLB)组成的定位信标网;一个用来处理地面控制系统和卫星之问的通信和信息交换的主信标站(MB);设在法国图卢兹测控中心的DORIS控制中心(DCC);由IGN负责管理的信标安装和维护中心.ODB的结构组成框图如图3所示ODB的发射功率在40
7、0MHz和2GHz发射频率下分别为5W和10W.发射天线为四螺旋型天线,2GHz天线位于400MHz天线之上.两天线同轴安装.ODB在实验室环境下运行每个ODB有两台发射机(分别以401.25MHz和2036.25MHz频率工作);一台超稳晶体振荡器;一台监控微机,执行必要的控制和处理,时间同步信号传输,内务管理及故障诊断等功能.ODB自带蓄电池备份电源,可保证主时钟连续运行50小时ODB还带有三台气象仪器,可测量大气压力,温度和相对湿度,利用这些参数可修正信号的大气传播延时误差.每条ODB导航电文中均含有上
8、述气象数据以及信标识别码和信标工作状态的有关信息.发送一条导航电文的持续时间为0.8s,每隔10s重复发送一次,星上DORIS控制工程接收机的多b勒计数周期为9s圉2DORIS星戢接收机框图GLB的功能与ODB相同,但只有当某个GLB处于星上DORIS接收机接收范围内,GLB才独立发射信号,每分钟发射1次,2次,或3次,每次持续10s.GLB封装在密封盒中,自带电源,可在野外工作MB是介于DCC和星
