用於地球靜止軌道衛星精密定軌的鏡面投影方法
2023-06-07 18:17:31 1
專利名稱：用於地球靜止軌道衛星精密定軌的鏡面投影方法
技術領域：
本發明涉及地球靜止軌道衛星精密定軌，尤其涉及使用區域觀測站對地球靜止軌 道衛星的精密定軌。
背景技術：
我國正在建設的北鬥二代導航、定位與授時系統包含一定數量的地球靜止軌道衛 星。我國獨立設計的中國區域定位、導航通信系統也主要由一定數量的地球靜止軌道衛星 構成。印度的 IRNSS(IndianRegional Navigation Satellite System)則計劃由 3 顆地球 靜止軌道與4顆傾斜軌道地球靜止衛星組成。因此高精度確定地球靜止軌道衛星的軌道， 是確保新一代導航定位系統的性能及可用性的重要環節。目前常用的定軌方法主要有幾何法、動力法以及簡化動力法等多種方法。幾何法 是根據每個時刻的觀測值計算出相應時刻的衛星位置，通過相鄰時刻的衛星位置，內插得 到衛星的速度；動力法與簡化動力法，需要通過其它技術手段獲取衛星初始時刻的位置與 速度，然後通過軌道積分，採用合適的參數估計方法獲取衛星的初始軌道參數，最後再採用 軌道積分的方法，積分出所需時刻的衛星的位置與速度。目前最常用的觀測衛星技術是S波段統一測控系統觀測技術，統一測控系統技術 觀測精度不高，測距精度3-5m，衛星定軌精度為幾百米級水平，統一測控系統觀測技術能基 本滿足常規地球靜止衛星的定軌需要。但衛星導航系統對地球靜止衛星需要更高的軌道精 度，為了提高定軌精度，美國、歐洲、日本以及我國的一些學者對地球靜止軌道衛星定軌技 術展開了一系列理論研究和試驗。目前提高地球靜止軌道衛星定軌精度的技術手段主要有 以下四類第一類為高解析度角度觀測，如甚長基線幹涉測量、連線幹涉測量以及高精度CCD 光學照相等技術。甚長基線幹涉測量技術測角精度優於0.001"，對地球靜止軌道衛星定軌 精度一般可達到3m左右。其不足之處在於，對測站布設及觀測設備要求高，投資較大，且其 定軌精度不能滿足衛星導航系統的需求。第二類為採用GPS輔助地球靜止軌道衛星精密定軌方法，一種直接採用地球靜止 軌道衛星星載GPS進行定軌；另一種為GPS增強跟蹤方法進行定軌，該方法由地面測站同時 接收地球靜止軌道衛星和GPS信號。根據GPS觀測數據解算測站位置和鐘差，再利用接收 到的地球靜止軌道衛星發射的類GPS信號確定衛星軌道，其定軌精度在米級。這類定軌方 法的不足之處在於，GPS應用存在一定的不確定因素，且其定軌精度不能滿足衛星導航系統 的需求。第三類為天地基聯合定軌，低軌衛星與高軌衛星聯合定軌不僅可以突破跟蹤 網幾何局限性，而且間接增加了地球靜止軌道衛星相對於地面的動力學約束信息，以 TDRSS(Tracking and Data Relay SatelliteSystem)為代表的天地基聯合定軌技術的研究 進展迅速。分析表明，利用 TDRSS 和 BRTS(Bilateration Ranging and Tracking System) 同時確定TDRS衛星和用戶星T0PEX/P0SEID0N軌道，定軌精度分別可以達到30m和3m，如果固定TOPEX/POSEIDON衛星軌道，則TDRS衛星能達到IOm軌道精度。這類方法的不足之處 在於，其定軌精度不能滿足衛星導航系統的需求。
第四類為高精度的測距，在第9屆國際衛星雙向時間比對討論會上，中國科學院 國家授時中心提出了轉發器式衛星測軌觀測方法，並正式用於中國區域定位系統，測距精 度在Icm左右，定軌精度可達2米左右，並能全天候觀測。其不足之處在於，定軌精度不能 滿足衛星導航系統的需求。由於地球靜止軌道衛星軌道距地面三萬六千公裡，衛星對整個地球張角不到18 度，要充分利用衛星對整個地球的張角，地面測站間的最大距離要接近地球的直徑，布設難 度較大，使得對地球靜止軌道衛星的觀測幾何結構強度差；其次由於地球靜止軌道衛星與 地面跟蹤站位置相對靜止，站星幾何變化很小，增加觀測時間帶來的信息量有限，使得鐘差 及測站偏差等一些系統誤差難以解算和分離。地球靜止軌道衛星精密定軌的精度也難以滿 足導航定位的需要，機動期間的軌道更是難以較高精度的確定。
發明內容
本發明的目的是用於地球靜止軌道衛星精密定軌的鏡面投影方法。該方法採用 構建一定數量的虛擬跟蹤站的方式，使觀測結構得以改善，從而提高地球靜止軌道衛星機 動與非機動期間的定軌精度。為達到上述目的，本發明採用了如下技術方案用於地球靜止軌道衛星精密定軌的鏡面投影法包含下列步驟1、計算鏡面投影法實施需要的投影面La、用幾何法或動力法求解地球靜止軌道衛星的軌道面，將該軌道面作為投影 面；2、採用鏡面投影形成虛擬觀測站及其對應的虛擬觀測值2. a、對各觀測站進行鏡面投影，即以軌道面為對稱面，在與各觀測站對稱的地方 設立虛擬觀測站；2. b、各虛擬觀測站的觀測值採用與其相對應觀測站的觀測值。3、結合實際觀測站與虛擬觀測站的觀測值進行地球靜止軌道衛星的精密定軌。本發明是基於地球靜止軌道衛星軌道面變化緩慢且能精確預報的特點而設計的， 優點是由於虛擬站的加入，形式上擴大了觀測範圍，使觀測結構得以加強，從而改善了參 數估計方程係數陣的狀態，提高了地球靜止軌道衛星機動與非機動期間的定軌精度。本發 明還可以節省經費，減少物理觀測站的布設數量。
圖1為沒有使用鏡面投影法的幾何法解算的地球靜止軌道衛星軌道坐標分量與 使用鏡面投影法後的幾何法解算的地球靜止軌道衛星軌道坐標分量分別與真值的差的比 較。其中橫軸為曆元數(30秒間隔)，三個縱軸分別為X、Y、Z方向的解算值與真值的差；圖 中淺色點為沒有採用鏡面投影法的解算結果，深色點為採用鏡面投影法後的解算結果。
具體實施例方式
以下對本發明作進一步的說明。實施例一用於地球靜止軌道衛星精密定軌的鏡面投影法包含下列步驟1、計算鏡面投影法實施需要的投影面La、用幾何法或動力法求解地球靜止軌道衛星的軌道面，將該軌道面作為投影 面；2、採用鏡面投影形成虛擬觀測站及其對應的虛擬觀測值2. a、對各觀測站進行鏡面投影，即以軌道面為對稱面，在與各觀測站對稱的地方設立虛擬觀測站；2. b、各虛擬觀測站的觀測值採用與其相對應觀測站的觀測值。3、結合實際觀測站與虛擬觀測站的觀測值進行地球靜止軌道衛星的精密定軌。實施例二利用衛星的標準軌道，仿真5個地面監測站對地球靜止軌道衛星多天的觀測數 據，觀測噪聲服從正態分布N(0，1)、衛星鐘差10米，採用實施例一的步驟進行定軌。圖1為沒有採用鏡面投影法的幾何法解算結果與採用鏡面投影法後的幾何法解 算的地球靜止軌道衛星軌道參數與真值之差的比較。其中橫軸為曆元數(30秒間隔)，三個 縱軸分別為X、Y、Z方向的解算值與真值的差；圖中淺色點為沒有採用鏡面投影法的解算結 果，深色點為採用鏡面投影法後的解算結果。由圖1可見，Χ、Υ、Ζ方向採用鏡面投影法後解 算的結果與真值的差明顯小於沒有採用鏡面投影法解算的結果與真值的差。實施例三利用衛星的標準軌道，仿真了 5個地面監測站對地球靜止軌道衛星一天的觀測數 據。為處理問題的方便，觀測誤差項考慮觀測噪聲、對流層、電離層和採用二次項模擬的衛 星鐘差。衛星的攝動項考慮多體攝動，太陽光壓，經驗力。採用實施例一的步驟進行定軌。在沒有採用鏡面投影法時，動力法解算的初始軌道根數與真值差在X方向為 0. 5020米，Y方向為0. 4097米，Z方向為1. 6120米；而採用鏡面投影法後，動力法解算的初 始軌道根數與真值差，X方向為0. 1402米，Y方向為0. 2335米，Z方向為0. 0262米；由此可 見採用鏡面投影法後，動力法解算的地球靜止軌道衛星軌道精度明顯高於沒有採用鏡面投 影法時動力法解算的地球靜止軌道衛星的軌道精度。
權利要求
用於地球靜止軌道衛星精密定軌的鏡面投影方法，其特徵在於，該方法包含下列步驟a、用幾何法或動力法求解地球靜止軌道衛星的軌道面，將該軌道面作為投影面；b、對各觀測站進行鏡面投影，即以軌道面為對稱面，在與各觀測站對稱的地方設立虛擬觀測站；c、各虛擬觀測站的觀測值採用與其相對應觀測站的觀測值；d、結合實際測站與虛擬測站的觀測值進行地球靜止軌道衛星的精密定軌。
全文摘要
本發明公開了一種用於地球靜止軌道衛星精密定軌的鏡面投影方法，涉及使用區域觀測站對地球靜止軌道衛星的精密定軌。該方法主要包含投影面的選取、虛擬觀測站的設立及虛擬觀測站觀測值的選用幾個關鍵步驟。通過虛擬觀測站的設立，使得觀測數據增加一倍，在此基礎上得到的軌道參數估計觀測方程組所解得的參數精度得以提高。由附圖可見，採用鏡面投影法後解算的結果與真值的差明顯小於沒有採用鏡面投影法解算的結果與真值的差。
文檔編號G01S5/00GK101881820SQ201010221848
公開日2010年11月10日 申請日期2010年7月9日 優先權日2010年7月9日
發明者劉吉華, 彭碧波, 歐吉坤, 鍾世明 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所