專利名稱：用于地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌的鏡面投影方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌，尤其涉及使用區(qū)域觀測站對地球靜止軌 道衛(wèi)星的精密定軌。
背景技術(shù)：
我國正在建設(shè)的北斗二代導(dǎo)航、定位與授時(shí)系統(tǒng)包含一定數(shù)量的地球靜止軌道衛(wèi) 星。我國獨(dú)立設(shè)計(jì)的中國區(qū)域定位、導(dǎo)航通信系統(tǒng)也主要由一定數(shù)量的地球靜止軌道衛(wèi)星 構(gòu)成。印度的 IRNSS(IndianRegional Navigation Satellite System)則計(jì)劃由 3 顆地球 靜止軌道與4顆傾斜軌道地球靜止衛(wèi)星組成。因此高精度確定地球靜止軌道衛(wèi)星的軌道， 是確保新一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能及可用性的重要環(huán)節(jié)。目前常用的定軌方法主要有幾何法、動(dòng)力法以及簡化動(dòng)力法等多種方法。幾何法 是根據(jù)每個(gè)時(shí)刻的觀測值計(jì)算出相應(yīng)時(shí)刻的衛(wèi)星位置，通過相鄰時(shí)刻的衛(wèi)星位置，內(nèi)插得 到衛(wèi)星的速度；動(dòng)力法與簡化動(dòng)力法，需要通過其它技術(shù)手段獲取衛(wèi)星初始時(shí)刻的位置與 速度，然后通過軌道積分，采用合適的參數(shù)估計(jì)方法獲取衛(wèi)星的初始軌道參數(shù)，最后再采用 軌道積分的方法，積分出所需時(shí)刻的衛(wèi)星的位置與速度。目前最常用的觀測衛(wèi)星技術(shù)是S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)觀測技術(shù)，統(tǒng)一測控系統(tǒng)技術(shù) 觀測精度不高，測距精度3-5m，衛(wèi)星定軌精度為幾百米級水平，統(tǒng)一測控系統(tǒng)觀測技術(shù)能基 本滿足常規(guī)地球靜止衛(wèi)星的定軌需要。但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對地球靜止衛(wèi)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(xué)者對地球靜止軌道衛(wèi)星定軌技 術(shù)展開了一系列理論研究和試驗(yàn)。目前提高地球靜止軌道衛(wèi)星定軌精度的技術(shù)手段主要有 以下四類第一類為高分辨率角度觀測，如甚長基線干涉測量、連線干涉測量以及高精度CCD 光學(xué)照相等技術(shù)。甚長基線干涉測量技術(shù)測角精度優(yōu)于0.001"，對地球靜止軌道衛(wèi)星定軌 精度一般可達(dá)到3m左右。其不足之處在于，對測站布設(shè)及觀測設(shè)備要求高，投資較大，且其 定軌精度不能滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。第二類為采用GPS輔助地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌方法，一種直接采用地球靜止 軌道衛(wèi)星星載GPS進(jìn)行定軌；另一種為GPS增強(qiáng)跟蹤方法進(jìn)行定軌，該方法由地面測站同時(shí) 接收地球靜止軌道衛(wèi)星和GPS信號。根據(jù)GPS觀測數(shù)據(jù)解算測站位置和鐘差，再利用接收 到的地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射的類GPS信號確定衛(wèi)星軌道，其定軌精度在米級。這類定軌方 法的不足之處在于，GPS應(yīng)用存在一定的不確定因素，且其定軌精度不能滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 的需求。第三類為天地基聯(lián)合定軌，低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星聯(lián)合定軌不僅可以突破跟蹤 網(wǎng)幾何局限性，而且間接增加了地球靜止軌道衛(wèi)星相對于地面的動(dòng)力學(xué)約束信息，以 TDRSS(Tracking and Data Relay SatelliteSystem)為代表的天地基聯(lián)合定軌技術(shù)的研究 進(jìn)展迅速。分析表明，利用 TDRSS 和 BRTS(Bilateration Ranging and Tracking System) 同時(shí)確定TDRS衛(wèi)星和用戶星T0PEX/P0SEID0N軌道，定軌精度分別可以達(dá)到30m和3m，如果固定TOPEX/POSEIDON衛(wèi)星軌道，則TDRS衛(wèi)星能達(dá)到IOm軌道精度。這類方法的不足之處 在于，其定軌精度不能滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。
第四類為高精度的測距，在第9屆國際衛(wèi)星雙向時(shí)間比對討論會上，中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心提出了轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測軌觀測方法，并正式用于中國區(qū)域定位系統(tǒng)，測距精 度在Icm左右，定軌精度可達(dá)2米左右，并能全天候觀測。其不足之處在于，定軌精度不能 滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。由于地球靜止軌道衛(wèi)星軌道距地面三萬六千公里，衛(wèi)星對整個(gè)地球張角不到18 度，要充分利用衛(wèi)星對整個(gè)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(shè)難 度較大，使得對地球靜止軌道衛(wèi)星的觀測幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差；其次由于地球靜止軌道衛(wèi)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(shí)間帶來的信息量有限，使得鐘差 及測站偏差等一些系統(tǒng)誤差難以解算和分離。地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌的精度也難以滿 足導(dǎo)航定位的需要，機(jī)動(dòng)期間的軌道更是難以較高精度的確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是用于地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌的鏡面投影方法。該方法采用 構(gòu)建一定數(shù)量的虛擬跟蹤站的方式，使觀測結(jié)構(gòu)得以改善，從而提高地球靜止軌道衛(wèi)星機(jī) 動(dòng)與非機(jī)動(dòng)期間的定軌精度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案用于地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌的鏡面投影法包含下列步驟1、計(jì)算鏡面投影法實(shí)施需要的投影面La、用幾何法或動(dòng)力法求解地球靜止軌道衛(wèi)星的軌道面，將該軌道面作為投影 面；2、采用鏡面投影形成虛擬觀測站及其對應(yīng)的虛擬觀測值2. a、對各觀測站進(jìn)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(shè)立虛擬觀測站；2. b、各虛擬觀測站的觀測值采用與其相對應(yīng)觀測站的觀測值。3、結(jié)合實(shí)際觀測站與虛擬觀測站的觀測值進(jìn)行地球靜止軌道衛(wèi)星的精密定軌。本發(fā)明是基于地球靜止軌道衛(wèi)星軌道面變化緩慢且能精確預(yù)報(bào)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的， 優(yōu)點(diǎn)是由于虛擬站的加入，形式上擴(kuò)大了觀測范圍，使觀測結(jié)構(gòu)得以加強(qiáng)，從而改善了參 數(shù)估計(jì)方程系數(shù)陣的狀態(tài)，提高了地球靜止軌道衛(wèi)星機(jī)動(dòng)與非機(jī)動(dòng)期間的定軌精度。本發(fā) 明還可以節(jié)省經(jīng)費(fèi)，減少物理觀測站的布設(shè)數(shù)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(wèi)星軌道坐標(biāo)分量與 使用鏡面投影法后的幾何法解算的地球靜止軌道衛(wèi)星軌道坐標(biāo)分量分別與真值的差的比 較。其中橫軸為歷元數(shù)(30秒間隔)，三個(gè)縱軸分別為X、Y、Z方向的解算值與真值的差；圖 中淺色點(diǎn)為沒有采用鏡面投影法的解算結(jié)果，深色點(diǎn)為采用鏡面投影法后的解算結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
以下對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例一用于地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌的鏡面投影法包含下列步驟1、計(jì)算鏡面投影法實(shí)施需要的投影面La、用幾何法或動(dòng)力法求解地球靜止軌道衛(wèi)星的軌道面，將該軌道面作為投影 面；2、采用鏡面投影形成虛擬觀測站及其對應(yīng)的虛擬觀測值2. a、對各觀測站進(jìn)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(shè)立虛擬觀測站；2. b、各虛擬觀測站的觀測值采用與其相對應(yīng)觀測站的觀測值。3、結(jié)合實(shí)際觀測站與虛擬觀測站的觀測值進(jìn)行地球靜止軌道衛(wèi)星的精密定軌。實(shí)施例二利用衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)軌道，仿真5個(gè)地面監(jiān)測站對地球靜止軌道衛(wèi)星多天的觀測數(shù) 據(jù)，觀測噪聲服從正態(tài)分布N(0，1)、衛(wèi)星鐘差10米，采用實(shí)施例一的步驟進(jìn)行定軌。圖1為沒有采用鏡面投影法的幾何法解算結(jié)果與采用鏡面投影法后的幾何法解 算的地球靜止軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)與真值之差的比較。其中橫軸為歷元數(shù)(30秒間隔)，三個(gè) 縱軸分別為X、Y、Z方向的解算值與真值的差；圖中淺色點(diǎn)為沒有采用鏡面投影法的解算結(jié) 果，深色點(diǎn)為采用鏡面投影法后的解算結(jié)果。由圖1可見，Χ、Υ、Ζ方向采用鏡面投影法后解 算的結(jié)果與真值的差明顯小于沒有采用鏡面投影法解算的結(jié)果與真值的差。實(shí)施例三利用衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)軌道，仿真了 5個(gè)地面監(jiān)測站對地球靜止軌道衛(wèi)星一天的觀測數(shù) 據(jù)。為處理問題的方便，觀測誤差項(xiàng)考慮觀測噪聲、對流層、電離層和采用二次項(xiàng)模擬的衛(wèi) 星鐘差。衛(wèi)星的攝動(dòng)項(xiàng)考慮多體攝動(dòng)，太陽光壓，經(jīng)驗(yàn)力。采用實(shí)施例一的步驟進(jìn)行定軌。在沒有采用鏡面投影法時(shí)，動(dòng)力法解算的初始軌道根數(shù)與真值差在X方向?yàn)?0. 5020米，Y方向?yàn)?. 4097米，Z方向?yàn)?. 6120米；而采用鏡面投影法后，動(dòng)力法解算的初 始軌道根數(shù)與真值差，X方向?yàn)?. 1402米，Y方向?yàn)?. 2335米，Z方向?yàn)?. 0262米；由此可 見采用鏡面投影法后，動(dòng)力法解算的地球靜止軌道衛(wèi)星軌道精度明顯高于沒有采用鏡面投 影法時(shí)動(dòng)力法解算的地球靜止軌道衛(wèi)星的軌道精度。
權(quán)利要求
用于地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌的鏡面投影方法，其特征在于，該方法包含下列步驟a、用幾何法或動(dòng)力法求解地球靜止軌道衛(wèi)星的軌道面，將該軌道面作為投影面；b、對各觀測站進(jìn)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(shè)立虛擬觀測站；c、各虛擬觀測站的觀測值采用與其相對應(yīng)觀測站的觀測值；d、結(jié)合實(shí)際測站與虛擬測站的觀測值進(jìn)行地球靜止軌道衛(wèi)星的精密定軌。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌的鏡面投影方法，涉及使用區(qū)域觀測站對地球靜止軌道衛(wèi)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(shè)立及虛擬觀測站觀測值的選用幾個(gè)關(guān)鍵步驟。通過虛擬觀測站的設(shè)立，使得觀測數(shù)據(jù)增加一倍，在此基礎(chǔ)上得到的軌道參數(shù)估計(jì)觀測方程組所解得的參數(shù)精度得以提高。由附圖可見，采用鏡面投影法后解算的結(jié)果與真值的差明顯小于沒有采用鏡面投影法解算的結(jié)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(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者劉吉華, 彭碧波, 歐吉坤, 鐘世明 申請人:中國科學(xué)院測量與地球物理研究所