基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨

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1、2013年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨郭向1’2张强1赵齐乐2郭靖2(1武汉大学测绘学院，武汉430079)(2武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉430079)摘要为满足搭载单频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一2A)卫星及“资源三号”(ZY一3)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，

2、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一2A卫星定轨精度为2～3dm，ZY-3卫星为lITI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ldm左右，ZY一3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。关键词单频半和改正精密定轨低轨卫星DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．0

3、2．0071引言由于对地观测卫星科学任务不同，因此其对轨道精度要求也不尽相同。一些重力卫星如CHAMP、GRACE、GOCE等，由于轨道精度要达到厘米级，因此其星上均搭载有高性能的双频GPS接收机；而有些卫星如QuickBird、KOMPsAT一1等对轨道精度要求并不太苛刻，其星上搭载的均为单频GPS接收机，这一方面可以节约成本、降低功耗，另一方面由于观测数据量显著减少因而可大大减轻数据下传的压力。对于利用星载双频GPS数据进行精密定轨，国内外学者已做了很多有益的探索并已实现厘米级的定轨精度。而对于利用星载单

4、频GPS数据进行精密定轨的研究相对较少口≈]。而国内的胡国荣等最早仅利用TOPEX／POSEIDON卫星P1码观测值采用几何法定轨并获得三维20121的定轨精度[41；彭冬菊等仅利用C／A码观测值，为消除电离层延迟的影响，定轨中同时估计电离层比例因子并获得了三维2dm的定轨精度[5]。为了深化单频定轨的研究，同时为了展示HY一2A卫星和ZY一3卫星的单频定轨性能，本文利用HY一2A卫星和ZY一3卫星的星载单频GPS实测数据采用两种不同方案确定其简化动力学轨道，并通过观测值残差分析、与双频精密轨道比较、激光测卫

5、检核等手段对所得轨道精度进行评估。2数据处理策略星载单频与双频GPS数据处理的主要区别之一在于电离层延迟的改正。Garcia—Fernandez、Montenbruck等对CHAMP的星载GPS实测数据分析表明，其观测值受电离层延迟影响可达10m嘲，国家教育部高等学校学科创新引智计划(B07037)；中央高校基本科研业务费专项资金(2012618020201)资助项目收稿日期：2012—06—07。收修改稿日期：2012—11—10!；生垦窒!旦型兰堇垄!!!i生!旦因此在数据处理中必须充分消除电离层延迟的影

6、响。对于双频定轨通常采用无电离层延迟组合(LC／PC)来消除电离层延迟的影响，而对于单频定轨，一般采用半和改正组合进行电离层延迟改正。L1频率载波相位观测值、码观测值和半和改正组合观测值的观测方程分别为乒1AI—Po+c(dt，一dt5)一印l—M1+e‘，(1)C1一Po+c(dt，一dt5)+艿IDl+e。，(2)10+一(西1Al+C1)／2一伽+c(dt，一dt5)一M1／2+(￡≠．+e，、)／2(3)式中毒，、C，分别为L1频率上的载波相位和C／A码观测值；N为L1载波整周模糊度；A，为L1载波波

7、长；dt，、dt5分别为接收机钟差和GPS卫星钟差；c为光速；酗，为L1频率上电离层一阶项延迟改正量；e≠，、e，，分别为载波和码的多路径误差及观测噪声；lD‘为半和改正组合观测值。可以看出，同一频率上的载波相位和码观测值的电离层延迟一阶项改正量大小相等但符号相反，半和改正组合观测值通过对同一频率上的载波相位和码观测值求均值，消除了电离层延迟一阶项的影响[7]。此外，由于电离层延迟二阶项以上的影响通常只有毫米到厘米级[8]，因此在本文的研究中被忽略不计。由于载波观测值噪声以及多路径误差相对于码观测值可忽略不计

8、，因此半和改正组合观测值主要受码噪声及码多路径效应的影响。由公式(4)可以看出，该组合观测值噪声约为独立码观测值的一半，因此，高精度的码观测值将是决定单频定轨精度的关键因素，半和改正组合观测值噪声为1—1￡一寺^／盯2(￡≠。)+盯2(￡，．)≈寺仃(￡。，)(4)厶文献[3]的研究表明，采用半和改正组合消除电离层延迟的影响可取得最高的定轨精度，而在国内的单频定轨研究中尚未涉及该组合的应用。其原因之