1.本發(fā)明涉及一種軌道誤差修正方法。


背景技術(shù)：

2.2021年，中國完成空間站天和核心艙的發(fā)射與在軌測試驗(yàn)證，航天員進(jìn)入核心艙長期開展太空生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。隨后，中國將再次發(fā)射兩個實(shí)驗(yàn)艙，與核心艙一起構(gòu)建空間實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)艙上，將會搭載高精度的時頻實(shí)驗(yàn)柜，配置高性能光學(xué)原子鐘系統(tǒng)，產(chǎn)生秒級穩(wěn)定度在10-15
量級、日穩(wěn)定度在10-18
量級的超高性能的時間頻率信號。
3.歐洲空間局也在實(shí)施基于國際空間站iss的空間原子鐘組aces計(jì)劃，將會搭載一臺激光冷原子銫鐘和一臺主動型氫鐘，利用國際空間站的微重力環(huán)境來開展微波原子鐘實(shí)驗(yàn)。
4.因此，不僅是中國的空間站，還是歐洲的國際空間站，都將成為高性能的空間移動時間源，再結(jié)合兩個空間站的對地微波通信鏈路，完全可以把空間站當(dāng)作共視時間比對的參考源，開展兩個觀測站之間的高精度時間比對。
5.結(jié)合空間站微波鏈路信號設(shè)計(jì)體制，以高精度大氣探空設(shè)備為輔助，大氣延遲和相對論影響的修正精度可以達(dá)到幾十皮秒甚至皮秒量級，空間站軌道誤差將是限制共視時間比對精度的首要因素。由于空間站軌道高度較低，距離地面只有幾百公里，在共視時間比對基線長于軌道高度的情況下，軌道誤差對共視時間比對的影響將會放大。理論研究和仿真分析表明，300皮秒的軌道誤差對空間站共視時間比對的最大影響將達(dá)到700皮秒左右。
6.為了實(shí)現(xiàn)更高精度的共視時間比對，需要找到合適的空間站軌道誤差修正方法，克服由于低軌特性導(dǎo)致的軌道誤差放大作用，將事后精密軌道誤差對共視時間比對的影響控制在300皮秒以內(nèi)。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

7.為了克服現(xiàn)有技術(shù)由于低軌特性導(dǎo)致的空間站軌道誤差放大作用的不足，本發(fā)明提供一種空間站共視時間比對軌道誤差修正方法，尋找到兩站軌道誤差空間相關(guān)性較高的觀測點(diǎn)，將事后精密軌道誤差對共視時間比對的影響限制在300皮秒以內(nèi)，對于部分觀測條件良好的測站，可以進(jìn)一步減少軌道誤差的影響。本方法既適用于空間站實(shí)時共視時間比對，也適用于事后共視時間比對數(shù)據(jù)的批量處理，實(shí)時和事后的數(shù)據(jù)處理方法相同。事后數(shù)據(jù)處理可以利用精密軌道，精密軌道誤差絕對值小于0.1米，共視時間比對的性能更高。
8.本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
9.1)根據(jù)空間站軌道數(shù)據(jù)，計(jì)算兩個地面觀測站a和b的高度角el和方位角az；
10.2)依據(jù)高度角來判斷兩個測站是否同時可視空間站，兩站同時刻高度角均大于0度，則認(rèn)為該時刻兩站同時可視空間站，進(jìn)入步驟3)，否則返回步驟1)，計(jì)算下一時刻兩個地面觀測站的高度角el和方位角az；
11.3)分別計(jì)算三維軌道誤差在兩測站視線方向上的投影系數(shù)x_coef、y_coef和z_
coef；
12.4)計(jì)算兩測站各個誤差維度上的投影系數(shù)之差xa_coef-xb_coef、ya_coef-yb_coef和za_coef-zb_coef，腳標(biāo)分別表示地面觀測站a和b；
13.5)在x軸、y軸和z軸三個方向分別以設(shè)定的步進(jìn)值逐步計(jì)算絕對值小于事后精密軌道誤差絕對值的軌道誤差向量，得到空間站三維軌道誤差向量集合{oex,oey,oez}；
14.6)基于步驟4)和5)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算軌道誤差在兩站視線方向上投影差的集合；
15.7)基于步驟6)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算投影差集合中的絕對值的最大值δe
max
；
16.8)設(shè)置判決門限，篩選出投影差小于判決門限的觀測點(diǎn)，即得到兩測站軌道誤差空間相關(guān)性較高的觀測時刻，在這些觀測時刻上采取共視時間比對計(jì)算，獲得空間站共視時間比對結(jié)果。
17.所述的x_coef＝(sinelcosb
p
cosl
p-coselsinazsinl
p-coselcosazsinb
p
cosl
p
)，y_coef＝(coselsinazcosl
p-coselcosazsinb
p
sinl
p
+sinelcosb
p
sinl
p
)，z_coef＝(coselcosazcosb
p
+sinelsinb
p
)，其中，l
p
和b
p
分別為地面站的大地經(jīng)度和緯度。
18.所述的步驟(5)把軌道誤差劃分為ecef坐標(biāo)下的三維誤差向量，x軸、y軸和z軸的軌道誤差分量oex、oey、oez均位于區(qū)間[-0.1,0.1]米，以0.01米的步進(jìn)得到x軸、y軸和z軸的軌道誤差集合{oex}、{oey}、{oez}，對位于x軸、y軸和z軸的軌道誤差集合內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行任意組合，再基于判決條件米對軌道誤差進(jìn)一步篩選，得到可能的軌道誤差向量集合。
[0019]
所述的步驟(7)中，軌道誤差在兩站視線方向上投影差l
1-l2＝oex(xa_coef-xb_coef)+oey(ya_coef-yb_coef)+oez(za_coef-zb_coef)。
[0020]
所述的步驟(8)對于無遮擋的測站間以250皮秒作為判決門限，對于有遮擋的測站以300皮秒作為判決門限。
[0021]
本發(fā)明能夠應(yīng)用在多個地面觀測站的空間站共視時間比對軌道誤差修正中。
[0022]
本發(fā)明的有益效果是：通過尋找到兩測站軌道誤差空間相關(guān)性較高的觀測時刻，克服因?yàn)榭臻g站的低軌特性導(dǎo)致的共視時間比對軌道誤差的放大效應(yīng)，結(jié)合共視時間比對原理對軌道誤差進(jìn)行修正，修正精度優(yōu)于300皮秒。本發(fā)明把軌道誤差對空間站共視時間比對的影響降低了大約400皮秒，可以推動空間站在高精度共視時間比對領(lǐng)域的工程應(yīng)用。
附圖說明
[0023]
圖1是原始空間站軌道誤差對共視時間比對的影響仿真圖；
[0024]
圖2是空間站軌道誤差修正流程圖；
[0025]
圖3是西安和北京共視時間比對軌道誤差修正效果圖；
[0026]
圖4是北京和上海共視時間比對軌道誤差修正效果圖。
具體實(shí)施方式
[0027]
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。
[0028]
以a，b兩個地面站進(jìn)行事后空間站共視時間比對計(jì)算為例，本發(fā)明包括以下步驟：
[0029]
1)根據(jù)空間站軌道數(shù)據(jù)，計(jì)算兩個地面觀測站的高度角el和方位角az；
[0030]
2)依據(jù)高度角來判斷兩個測站是否同時可視空間站，兩站同時刻高度角均大于0度，則認(rèn)為該時刻兩站同時可視空間站；
[0031]
3)在兩站同時可視空間站的情況下，分別計(jì)算三維軌道誤差在兩測站視線方向上的投影系數(shù)。以ecef坐標(biāo)下x軸、y軸和z軸軌道誤差為例，通過x_coef＝(sinelcosb
p
cosl
p-coselsinazsinl
p-coselcosazsinb
p
cosl
p
)計(jì)算x軸軌道誤差在兩站視線方向的投影系數(shù)，通過y_coef＝(coselsinazcosl
p-coselcosazsinb
p
sinl
p
+sinelcosb
p
sinl
p
)計(jì)算y軸軌道誤差在兩站視線方向的投影系數(shù)，通過z_coef＝(coselcosazcosb
p
+sinelsinb
p
)計(jì)算z軸軌道誤差在兩站視線方向的投影系數(shù)，這三個公式中l(wèi)
p
和b
p
分別為地面站的大地經(jīng)度和緯度；
[0032]
4)計(jì)算兩測站各個誤差維度上的投影系數(shù)之差xa_coef-xb_coef、ya_coef-yb_coef和za_coef-zb_coef；
[0033]
5)計(jì)算空間站三維軌道誤差向量集合，事后精密軌道誤差絕對值小于0.1米。以ecef坐標(biāo)下x軸、y軸和z軸軌道誤差為例，x軸、y軸和z軸均以0.01米的步進(jìn)，計(jì)算絕對值小于0.1米的軌道誤差向量集合；
[0034]
6)基于步驟4)和5)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算軌道誤差在兩站視線方向上投影差的集合；
[0035]
7)基于步驟6)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算投影差集合中的絕對值的最大值δe
max
；
[0036]
8)設(shè)置判決門限，篩選出投影差小于門限的觀測點(diǎn)。對于觀測條件良好的測站間的比對，一般以250皮秒作為門限，可以把軌道誤差對共視時間比對的影響控制在250皮秒以內(nèi)。對于有遮擋的測站，也可以依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整門限值，例如把門限放大到300皮秒。在滿足判決條件的這些觀測點(diǎn)上，軌道誤差的空間相關(guān)性較高，將軌道誤差對共視時間比對的影響限制在門限以下。
[0037]
在完成上述步驟之后，篩選出兩測站軌道誤差空間相關(guān)性較高的觀測時刻，在這些觀測時刻上采取傳統(tǒng)的共視時間比對計(jì)算，即可獲得軌道誤差影響小于判決門限的空間站共視時間比對結(jié)果。
[0038]
本發(fā)明的實(shí)施例包括以下9個步驟。
[0039]
步驟1.獲取兩個地面觀測站的ecef坐標(biāo)和大地經(jīng)度l
p
、緯度b
p
；
[0040]
步驟2.基于空間站的事后精密軌道數(shù)據(jù)和兩個地面觀測站的ecef坐標(biāo)，計(jì)算兩站的高度角el和方位角az；
[0041]
步驟3.對兩站的高度角進(jìn)行判斷，兩站同時刻高度角均大于0度，則認(rèn)為該時刻兩站同時可視空間站，可以開展后續(xù)的共視時間比對計(jì)算。若不滿足同時可視的條件，則退回到步驟1，進(jìn)行下一時刻的高度角、方位角計(jì)算，并重新進(jìn)行可視判斷；
[0042]
步驟4.通過x_coef＝(sinelcosb
p
cosl
p-coselsinazsinl
p-coselcosazsinb
p
cosl
p
)計(jì)算x軸軌道誤差在兩站視線方向的投影系數(shù)，通過y_coef＝(coselsinazcosl
p-coselcosazsinb
p
sinl
p
+sinelcosb
p
sinl
p
)計(jì)算y軸軌道誤差在兩站視線方向的投影系數(shù)，通過z_coef＝(coselcosazcosb
p
+sinelsinb
p
)計(jì)算z軸軌道誤差在兩站視線方向的投影系數(shù)；
[0043]
步驟5.基于步驟4的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算投影系數(shù)之差xa_coefx-b
_co、ya_coef-yb_coef和za_coef-zb_coef，用下標(biāo)a和b區(qū)分兩個地面觀測站；
[0044]
步驟6.計(jì)算空間站三維軌道誤差向量集合{oex,oey,oez}。由于事后精密軌道誤
差絕對值小于0.1米，把軌道誤差劃分為ecef坐標(biāo)下的三維誤差向量，x軸、y軸和z軸的軌道誤差分量oex、oey、oez均位于區(qū)間[-0.1,0.1]米，以0.01米的步進(jìn)可以得到x軸、y軸和z軸的軌道誤差集合{oex}、{oey}、{oez}，對位于x軸、y軸和z軸的軌道誤差集合內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行任意組合，再基于判決條件米對軌道誤差進(jìn)一步篩選，得到可能的軌道誤差向量集合；
[0045]
步驟7.基于步驟5)和6)的計(jì)算結(jié)果，利用公式l
1-l2＝oex(xa_coef-xb_coef)+oey(ya_coef-yb_coef)+oez(za_coef-zb_coef)計(jì)算軌道誤差在兩站視線方向上投影差的集合{l
1-l2}；
[0046]
步驟8.計(jì)算投影差集合{l
1-l2}中的絕對值的最大值δe
max
；
[0047]
步驟9.把判決門限設(shè)置為300皮秒，利用條件關(guān)系式δe
max
＜300皮秒進(jìn)行判斷，篩選出投影差小于300皮秒的觀測點(diǎn)。
[0048]
通過上述實(shí)施步驟，尋找到軌道誤差在兩觀測站空間相關(guān)性強(qiáng)的觀測時刻，在這些觀測時刻上軌道誤差對共視時間比對的影響沒有被放大，甚至由于共視時間比對原理進(jìn)行了一定程度的削減，可以提高時間比對的精度。在步驟9完成之后，即可進(jìn)行常規(guī)的共視時間比對計(jì)算。
[0049]
從上述實(shí)施步驟可知，本發(fā)明所提的空間站共視時間比對軌道誤差修正方法的實(shí)施過程主要包括兩站同時可視時刻的判斷、軌道誤差投影系數(shù)的計(jì)算、三維軌道誤差向量集合的計(jì)算、軌道誤差在兩站視線方向投影差集合的計(jì)算和門限判決五個部分。本發(fā)明的核心是通過上述五個部分的計(jì)算，得到軌道誤差對共視時間比對結(jié)果的最大影響量，對于最大影響量超過判決門限的觀測時刻進(jìn)行剔除，保留下軌道誤差對共視時間比對的影響小于判決門限的觀測點(diǎn)。
[0050]
由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明的主要特點(diǎn)是通過軌道誤差投影差值的計(jì)算和判決，來尋找空間站軌道誤差在兩個地面站空間相關(guān)性較高的觀測時刻，在這些觀測時刻上，軌道誤差并不會因?yàn)楣惨晻r間比對的差分原理進(jìn)行放大，甚至得到削弱。本發(fā)明克服了空間站軌道誤差對共視時間比對的放大效應(yīng)，把軌道誤差的影響從700皮秒量級降低至300皮秒以內(nèi)，使得空間站共視時間比對的精度大大提高。