基于转发式体制的低轨卫星精密定轨仿真分析.docx

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基于转发式体制的低轨卫星精密定轨仿真分析

CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会北京

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基于转发式体制的低轨卫星精密定轨仿真分析

雷辉1，2，3，李志刚1，2，杨旭海1，2

（1．中国科学院国家授时中心,西安710600

2．中科院精密导航定位于定时技术重点实验室，西安710600

3．中国科学院研究生院，北京100049）

摘要：

基于卫星双向时间比对技术，中国科学院国家授时中心提出了转发式卫星测轨观测方法，在“中国区域定位系统（CAPS）”得到首次应用，设计的系统既能实现卫星高精度定轨，又能实现远距离台站间原子钟时间同步，测距精度好于1厘米左右，定轨精度优于2米，时间同步精度好于1ns，并能全天候观测。

该系统具有快速自动跟踪能力，可以用于低轨卫星定轨观测。

本文对基于转发式体制的低轨卫星（轨道高度400公里）精密定轨进行仿真分析，分析了目前国内五个转发式测轨站对卫星的可视弧长，并进行精密定轨及轨道预报计算。

结果表明，一个站可以实现最长10分钟的跟踪；考虑测轨站系统差的情况下，利用一天的观测资料进行精密定轨精度优于10cm，预报两天的精度优于30cm。

关键词：

转发式，低轨卫星，精密定轨

Simulationandanalysisofpreciseorbitdeterminationforlowearth

orbitsatellitebasedontranspondersystem

LeiHui1,2,3,LiZhi-gang1,2,YangXu-hai1,2

（1.Nationaltimeservicecenter,ChineseAcademyofScience,Xi’an,710600

2.Keylaboratoryofprecisionnavigationandtimingtechnology,ChineseAcademyofScience,Xi’an,710600

3.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing,100039

Abstract:

BasedonTwo-WaysatelliteTimeandFrequencyTransfer（TWSTFT,amethodusedfororbitmeasurementusingtranspondersystemisdevelopedbyNationalTimeServiceCenter,ChineseAcademyofSciences.Ithasbeenfirstusedin‘ChineseAreaPositioningSystem（CAPS’,itcanbeusedforhighprecisionsatelliteorbitdetermination,anditcanalsobeusedfortimesynchronizationbetweentwolong-rangestations.Ithastheaccuracyofbetterthan1cminranging,theaccuracyofbetterthan2metersinorbitdetermination,theaccuracyofbetterthan1nsintimesynchronization,anditcanachieveobservationsinanykindofweather.Thissystemhasthecapabilityofquickautomatictracking,soitcanbeusedfororbitdeterminationforlowearthorbit（LEOsatellite.Inthispaper,simulationandanalysisofpreciseorbitdeterminationforLEOsatellite（withtheorbitaltitudeof400kmhasbeendonebasedontranspondersystem.Thearclengthhasbeenanalyzed,andpreciseorbitdeterminationandorbitpredictionhasalsobeendone.Theresultsshowthatonestationcanachieveaslongas10minutestracking,considerthesystemerrorofeachstation,onedayobservationisusedfororbitdetermination,itcanachievetheaccuracyofbetterthan10cminpreciseorbitdeterminationandbetterthan30cminorbitpredictionfortwodays.

Keyword:

Transpondersystem,Lowearthorbit（LEO,Preciseorbitdetermination（POD

1引言

近年来，轨道高度在1000km以下的低轨卫星由于特殊的应用和科研的需要得到了迅速的发展，在很多方面发挥了重大的作用[1]

。

利用低轨卫星上星载雷达测高仪，可以在低轨卫星的轨道坐标精确求定的情况下，获得精度很高的海平面高度。

用低轨卫星上的星载GPS接收机跟踪GPS卫星，借助无线电掩星技术或称对流层临边探测技术获取全球的大气探测综合资料，可以进行短期天气及长期气候研究。

由于低轨卫星距地面不超过几百公里，这样对地球重力场的非均匀性，特别是对地球重力场的中长波长的感应比较好，因此利用地面跟踪低轨卫星的观测数据是获得重力场中、低信息的最有效和经济的手段。

另外，低轨卫星还广泛应用于电离层影响、遥感成像等各方面的科学研究。

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低轨卫星的应用与科学试验，对定轨精度提出了很高的要求，例如：

TOPEX卫星的定轨精度要求径向达到5cm，CHAMP、GRACE、GOCE卫星的径向定轨精度要求在厘米级。

越来越低的轨道高度和越来越高的定轨精度要求，都使得低轨卫星精密定轨的难度增大。

中科院国家授时中心，基于卫星双向时间传递技术，提出了一种全新的卫星轨道测定方法——“转发器式卫星轨道测定方法”[2]

。

其原理是用各卫星地面站的原子钟产生的高精度时间信号，用不同伪码调制，同时向同一颗卫星发射相同载频的伪码扩频信号，经卫星转发器转向各卫星地面站，每个地面站接收到所有台站发送的时间信号，测定信号路径的时延，从而确定地面站到卫星间的距离。

该方法不但能测定高精度的卫星轨道，而且能给出高精度的时间比对结果。

其优点是观测精度高，发射信号和接收信号的不同组合，形成不同模式的卫星测轨观测方法：

测站接收卫星转发的自己站发射的信号，这种模式称作自发自收模式；所有测站接收卫星转发的某一个站发射的信号，这种模式称作一发多收模式；所有测站接收经卫星转发的所有站发射的信号，称作多发多收模式。

该技术用于GEO卫星精密定轨，测距精度优于1厘米，定轨的观测残差优于9厘米，定轨精度优于2米。

2低轨卫星观测仿真

对于轨道倾角为43度，离地面高度为450公里的低轨卫星，用中科院国家授时中心位于上海、长春、临潼、昆明、喀什的五个转发式观测站进行观测，观测截止高度为地平高度5度。

模拟3天观测，总共有24次过境，表1统计了各站三天卫星各弧段可观测时间和任意两个站的共视时间，从表中可见，卫星一个弧段可观测最长时间为540秒，喀什和其他站几乎没有共视时间，说明喀什站对加长观测弧段有特别重要意义。

图1表示卫星每次经过时可观测弧段最长观测时间（5个站中的最长一个，图中显示除个别圈外每次的可观测弧段最长观测时间在500秒以上。

图2表示卫星每次经过时五站总共可观测时间，从图中可以看出总共观测时间有一定的周期性，与卫星的回归周期相关。

五站总共可观测时间最长可达1700秒。

图3表示卫星3天内的星下点轨迹，图4表示国内5个转发式测轨站可视弧段的星下点轨迹。

表1连续三天各站各弧段可观测时间和共视时间

弧段数

上海

长春

临潼

昆明

喀什

临--上

临--长

临--昆临—喀

上---长上--昆上--喀

长--昆

长-喀

昆--喀

360

270360370

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260

28019010037090

270

32070440360

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70380

220250

46080

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90350110230280350390

280370380

220270

280230

11038020

130270

32070420

340

350

34070290

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290

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图1.每次可观测弧段最长观测时间（5个站

图2.每次弧段五站联合可观测最长弧段

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图3.卫星各弧段覆盖

图4.卫星可观测弧段覆盖

3低轨卫星定轨仿真

根据实际观测精度和台站分布情况，对定轨可能的精度进行仿真。

目前测距精度优于1厘米，在仿真条件中，取测伪距精度为10厘米，目前测站系统误差变化为1厘米，我们在仿真条件中取各站系统误差分别为2、3、4、5和6米。

以下通过精密定轨和轨道预报与真是轨道进行比较，评定其精度。

用一天的观测资料进行定轨计算，其和真实轨道之差为厘米级水平，结果见图5；用两天的观测资料进行定轨计算，结果见图6，其和真实轨道之差和仿真一天观测的结果相仿；用三天的观测资料进行定轨计算，结果见图7，其和真实轨道之差和仿真一天观测的结果相当。

用一天的资料定轨预报两天的轨道，同真实轨道进行比较，结果见图8，精度在分米水平；用一天的资料定轨预报两天的轨道，同真实轨道进行比较，结果见图9，精度在厘米水平。

由于仿真仅考虑部分误差引起的影响，仿真结果不一定完全反映了真实过程，但是实际过程不会偏离仿真结果很大。

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图5.一天观测资料定轨的卫星RTN误差

图6.二天观测资料定轨的卫星RTN误差

基于转发式体制的低轨卫星精密定轨仿真分析图7.三天观测资料定轨的卫星RTN误差图8.一天观测资料定轨预报二天轨道的RTN误差6

CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会北京图9.两天观测资料定轨预报一天轨道的RTN误差4小结转发式卫星测轨观测方法用于低轨卫星定轨，虽然低轨卫星运动快，一个弧段一个站可观测时间为8-9分钟之间，在国内布局，总的观测弧段为16-17分钟之间，并有一段时间观测不到卫星，对卫星定轨造成一定的困难，但从仿真结果可见，仍能得到满意的结果。

因此，用转发式卫星测轨观测方法测距精度高，系统稳定，是适合用于低轨卫星定轨的一种观测手段。

转发式卫星测轨观测方法对卫星载荷要求不多，需增加重量小于2公斤；要求卫星天线发射有效功率为2W，可以利用现有的C波段地面测轨系统实现近地卫星的转发式卫星测轨，是一种经济的方案。

参考文献[1][2]韩保民.基于星载GPS的低轨卫星几何法定轨理论研究[D].中国科学院研究生院（测量与地球物理研究所）2003,李志刚,杨旭海,施浒立,等.转发器式卫星轨道测定新方法.中国科学G辑:

物理学力学天文学,2008,38（12:

1711-17227