专利名称：用于地球静止轨道卫星精密定轨的镜面投影方法
技术领域：
本发明涉及地球静止轨道卫星精密定轨，尤其涉及使用区域观测站对地球静止轨 道卫星的精密定轨。
背景技术：
我国正在建设的北斗二代导航、定位与授时系统包含一定数量的地球静止轨道卫 星。我国独立设计的中国区域定位、导航通信系统也主要由一定数量的地球静止轨道卫星 构成。印度的 IRNSS(IndianRegional Navigation Satellite System)则计划由 3 颗地球 静止轨道与4颗倾斜轨道地球静止卫星组成。因此高精度确定地球静止轨道卫星的轨道， 是确保新一代导航定位系统的性能及可用性的重要环节。目前常用的定轨方法主要有几何法、动力法以及简化动力法等多种方法。几何法 是根据每个时刻的观测值计算出相应时刻的卫星位置，通过相邻时刻的卫星位置，内插得 到卫星的速度；动力法与简化动力法，需要通过其它技术手段获取卫星初始时刻的位置与 速度，然后通过轨道积分，采用合适的参数估计方法获取卫星的初始轨道参数，最后再采用 轨道积分的方法，积分出所需时刻的卫星的位置与速度。目前最常用的观测卫星技术是S波段统一测控系统观测技术，统一测控系统技术 观测精度不高，测距精度3-5m，卫星定轨精度为几百米级水平，统一测控系统观测技术能基 本满足常规地球静止卫星的定轨需要。但卫星导航系统对地球静止卫星需要更高的轨道精 度，为了提高定轨精度，美国、欧洲、日本以及我国的一些学者对地球静止轨道卫星定轨技 术展开了一系列理论研究和试验。目前提高地球静止轨道卫星定轨精度的技术手段主要有 以下四类第一类为高分辨率角度观测，如甚长基线干涉测量、连线干涉测量以及高精度CCD 光学照相等技术。甚长基线干涉测量技术测角精度优于0.001"，对地球静止轨道卫星定轨 精度一般可达到3m左右。其不足之处在于，对测站布设及观测设备要求高，投资较大，且其 定轨精度不能满足卫星导航系统的需求。第二类为采用GPS辅助地球静止轨道卫星精密定轨方法，一种直接采用地球静止 轨道卫星星载GPS进行定轨；另一种为GPS增强跟踪方法进行定轨，该方法由地面测站同时 接收地球静止轨道卫星和GPS信号。根据GPS观测数据解算测站位置和钟差，再利用接收 到的地球静止轨道卫星发射的类GPS信号确定卫星轨道，其定轨精度在米级。这类定轨方 法的不足之处在于，GPS应用存在一定的不确定因素，且其定轨精度不能满足卫星导航系统 的需求。第三类为天地基联合定轨，低轨卫星与高轨卫星联合定轨不仅可以突破跟踪 网几何局限性，而且间接增加了地球静止轨道卫星相对于地面的动力学约束信息，以 TDRSS(Tracking and Data Relay SatelliteSystem)为代表的天地基联合定轨技术的研究 进展迅速。分析表明，利用 TDRSS 和 BRTS(Bilateration Ranging and Tracking System) 同时确定TDRS卫星和用户星T0PEX/P0SEID0N轨道，定轨精度分别可以达到30m和3m，如果固定TOPEX/POSEIDON卫星轨道，则TDRS卫星能达到IOm轨道精度。这类方法的不足之处 在于，其定轨精度不能满足卫星导航系统的需求。
第四类为高精度的测距，在第9届国际卫星双向时间比对讨论会上，中国科学院 国家授时中心提出了转发器式卫星测轨观测方法，并正式用于中国区域定位系统，测距精 度在Icm左右，定轨精度可达2米左右，并能全天候观测。其不足之处在于，定轨精度不能 满足卫星导航系统的需求。由于地球静止轨道卫星轨道距地面三万六千公里，卫星对整个地球张角不到18 度，要充分利用卫星对整个地球的张角，地面测站间的最大距离要接近地球的直径，布设难 度较大，使得对地球静止轨道卫星的观测几何结构强度差；其次由于地球静止轨道卫星与 地面跟踪站位置相对静止，站星几何变化很小，增加观测时间带来的信息量有限，使得钟差 及测站偏差等一些系统误差难以解算和分离。地球静止轨道卫星精密定轨的精度也难以满 足导航定位的需要，机动期间的轨道更是难以较高精度的确定。

发明内容
本发明的目的是用于地球静止轨道卫星精密定轨的镜面投影方法。该方法采用 构建一定数量的虚拟跟踪站的方式，使观测结构得以改善，从而提高地球静止轨道卫星机 动与非机动期间的定轨精度。为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案用于地球静止轨道卫星精密定轨的镜面投影法包含下列步骤1、计算镜面投影法实施需要的投影面La、用几何法或动力法求解地球静止轨道卫星的轨道面，将该轨道面作为投影 面；2、采用镜面投影形成虚拟观测站及其对应的虚拟观测值2. a、对各观测站进行镜面投影，即以轨道面为对称面，在与各观测站对称的地方 设立虚拟观测站；2. b、各虚拟观测站的观测值采用与其相对应观测站的观测值。3、结合实际观测站与虚拟观测站的观测值进行地球静止轨道卫星的精密定轨。本发明是基于地球静止轨道卫星轨道面变化缓慢且能精确预报的特点而设计的， 优点是由于虚拟站的加入，形式上扩大了观测范围，使观测结构得以加强，从而改善了参 数估计方程系数阵的状态，提高了地球静止轨道卫星机动与非机动期间的定轨精度。本发 明还可以节省经费，减少物理观测站的布设数量。


图1为没有使用镜面投影法的几何法解算的地球静止轨道卫星轨道坐标分量与 使用镜面投影法后的几何法解算的地球静止轨道卫星轨道坐标分量分别与真值的差的比 较。其中横轴为历元数(30秒间隔)，三个纵轴分别为X、Y、Z方向的解算值与真值的差；图 中浅色点为没有采用镜面投影法的解算结果，深色点为采用镜面投影法后的解算结果。
具体实施例方式
以下对本发明作进一步的说明。实施例一用于地球静止轨道卫星精密定轨的镜面投影法包含下列步骤1、计算镜面投影法实施需要的投影面La、用几何法或动力法求解地球静止轨道卫星的轨道面，将该轨道面作为投影 面；2、采用镜面投影形成虚拟观测站及其对应的虚拟观测值2. a、对各观测站进行镜面投影，即以轨道面为对称面，在与各观测站对称的地方设立虚拟观测站；2. b、各虚拟观测站的观测值采用与其相对应观测站的观测值。3、结合实际观测站与虚拟观测站的观测值进行地球静止轨道卫星的精密定轨。实施例二利用卫星的标准轨道，仿真5个地面监测站对地球静止轨道卫星多天的观测数 据，观测噪声服从正态分布N(0，1)、卫星钟差10米，采用实施例一的步骤进行定轨。图1为没有采用镜面投影法的几何法解算结果与采用镜面投影法后的几何法解 算的地球静止轨道卫星轨道参数与真值之差的比较。其中横轴为历元数(30秒间隔)，三个 纵轴分别为X、Y、Z方向的解算值与真值的差；图中浅色点为没有采用镜面投影法的解算结 果，深色点为采用镜面投影法后的解算结果。由图1可见，Χ、Υ、Ζ方向采用镜面投影法后解 算的结果与真值的差明显小于没有采用镜面投影法解算的结果与真值的差。实施例三利用卫星的标准轨道，仿真了 5个地面监测站对地球静止轨道卫星一天的观测数 据。为处理问题的方便，观测误差项考虑观测噪声、对流层、电离层和采用二次项模拟的卫 星钟差。卫星的摄动项考虑多体摄动，太阳光压，经验力。采用实施例一的步骤进行定轨。在没有采用镜面投影法时，动力法解算的初始轨道根数与真值差在X方向为 0. 5020米，Y方向为0. 4097米，Z方向为1. 6120米；而采用镜面投影法后，动力法解算的初 始轨道根数与真值差，X方向为0. 1402米，Y方向为0. 2335米，Z方向为0. 0262米；由此可 见采用镜面投影法后，动力法解算的地球静止轨道卫星轨道精度明显高于没有采用镜面投 影法时动力法解算的地球静止轨道卫星的轨道精度。
权利要求
用于地球静止轨道卫星精密定轨的镜面投影方法，其特征在于，该方法包含下列步骤a、用几何法或动力法求解地球静止轨道卫星的轨道面，将该轨道面作为投影面；b、对各观测站进行镜面投影，即以轨道面为对称面，在与各观测站对称的地方设立虚拟观测站；c、各虚拟观测站的观测值采用与其相对应观测站的观测值；d、结合实际测站与虚拟测站的观测值进行地球静止轨道卫星的精密定轨。
全文摘要
本发明公开了一种用于地球静止轨道卫星精密定轨的镜面投影方法，涉及使用区域观测站对地球静止轨道卫星的精密定轨。该方法主要包含投影面的选取、虚拟观测站的设立及虚拟观测站观测值的选用几个关键步骤。通过虚拟观测站的设立，使得观测数据增加一倍，在此基础上得到的轨道参数估计观测方程组所解得的参数精度得以提高。由附图可见，采用镜面投影法后解算的结果与真值的差明显小于没有采用镜面投影法解算的结果与真值的差。
文档编号G01S5/00GK101881820SQ201010221848
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者刘吉华, 彭碧波, 欧吉坤, 钟世明 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所