基于动力学轨道拟合的LEO卫星轨道预报精度分析

轨道预报是地球探测卫星顺利执行科学任务的一个重要环节。为了实现对低轨卫星长弧段、高精度的轨道预报,文中运用动力学轨道拟合的方法进行轨道预报。选用GRACE A卫星、HY 2A卫星和JASON 2卫星为例进行预报处理,分析了卫星的轨道高度和拟合弧长对轨道预报结果的影响。结果表明,GRACE A卫星预报4 h和8 h轨道的3D RMS分别优于3 m和10 m,HY 2A卫星和JASON 2预报4 h轨道的3D RMS分别优于2 dm和1 dm,24 h轨道预报结果3D RMS分别优于2.5 m和2 m.      

面向精密位置服务的低轨卫星轨道预报精度分析EI北大核心CSCD

LEO卫星精密轨道预报是LEO导航增强系统中重要的技术环节之一,本文使用多种算法来实现不同任务需求下的轨道预报。对于在地面处理系统实现的LEO轨道预报,算法1采用定轨预报同时处理的策略,算法2将离散轨道点进行动力学拟合再进行积分外推。GRACE-C卫星预报5、10、15 min的URE平均精度分别为5.25、5.67、6.25 cm;HY2A卫星为7.83、8.69、9.66 cm;SWARM-A卫星为8.88、9.22、9.63 cm;SWARM-B卫星为8.49、8.98、9.63 cm。对于计算条件受限的LEO星上轨道预报,本文利用单个轨道点及简单动力学模型进行轨道积分外推的算法。该算法主要考虑地球中心引力及非球形引力摄动,因此地球重力场阶次对轨道预报精度产生较大影响。平均高度为500 km的LEO卫星选取60阶重力场,高度为1000 km的LEO卫星选取30阶重力场,可实现预报10 min轨道优于10 cm的预报精度。     

不同轨道类型LEO卫星轨道拟合及预报精度研究

低轨道地球卫星(LEO)的精度直接影响到LEO卫星的应用领域,因此研究合适的模型提高LEO卫星轨道插值/预报精度是一项很有意义且必要的工作. 本文详细研究了滑动切比雪夫多项式、克里金算法在不同类型LEO轨道的拟合、预报精度. 结果表明:采用合适的拟合策略,两种算法均能获得毫米级的插值精度;相较于滑动切比雪夫多项式,克里金算法拟合轨道的空间误差分布更为集中,未随着历元变化出现大幅波动. 克里金算法预报轨道的精度低于滑动切比雪夫多项式;采用克里金算法预报60 s,各颗LEO卫星轨道预报的精度在1~2.5 m;采用滑动切比雪夫多项式预报120 s,各颗LEO卫星可获得优于5 m的轨道精度.      

ZY-3卫星轨道拟合与预报精度分析

卫星轨道作为构建高分辨率遥感影像严密几何成像模型的必要参数,其精度对卫星影像几何定位精度有直接影响,故研究如何获取卫星成像时刻的精确位置具有重要意义.本文分别基于最佳平方逼近多项式和最佳一致逼近多项式对ZY-3卫星实时轨道与事后精密轨道进行拟合与平滑,进一步探讨实时轨道预报的可行性.研究结果表明,最佳平方逼近多项式拟合结果明显优于最佳一致逼近多项式拟合结果,且事后精密轨道拟合精度为厘米级,可以改善并提高实时轨道精度及进行轨道短期预报,为遥感影像高精度几何处理提供精确可靠的外方位线元素.     

BDS卫星位置插值方法研究及精度分析

针对精密星历本身只能提供离散的而不是任意时刻的卫星位置,该文提出采用插值法计算任意时刻的卫星位置。利用德国地学中心(GFZ)提供的精密星历数据,依次使用了拉格朗日插值法、牛顿插值法、切比雪夫拟合法、勒让德拟合法计算地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中地球轨道(MEO)卫星这3种不同轨道卫星任一时刻的卫星位置,并对这4种插值方法的精度进行了深入分析。实验结果表明:在解算北斗3类不同轨道卫星中,C01卫星用牛顿插值法最优,C09和C12卫星用拉格朗日插值法最优。     

基于北斗卫星广播星历的卫星位置拟合精度分析

为了提高利用广播星历计算卫星位置的效率,介绍了利用切比雪夫多项式拟合BDS混合星座卫星的方法。通过2013年1月13日0点-9点的广播星历数据实验,分析了切比雪夫多项在不同拟合阶数和不同拟合节点数情况下对卫星位置拟合精度的影响。结果表明：利用切比雪夫多项式拟合北斗混合星座卫星在1h时段内的轨道时,拟合阶数以7～9阶为宜,拟合节点数略大于拟合阶数即可,拟合精度达亚毫米级。     

多星定轨条件下北斗卫星钟差的周期性变化

基于地面监测网的多星精密定轨可以同时解算出北斗卫星轨道和卫星钟差。由于轨道和钟差的耦合影响,卫星钟差时序难免会出现周期性波动。此外,受限于目前并不完善的北斗全球监测网络分布、系统导航文件缺失以及定轨后处理软件的设置问题,3类卫星的钟差均存在大量数据间断问题。本文利用适用于间断数据的谱分析方法,对多星定轨条件下的北斗卫星钟差数据进行了周期项提取,并利用周期项改进后的钟差预报模型评估了24h以内的预报精度。基于近一年的数据分析表明,北斗GEO卫星钟差3个主周期依次为12、24和8h,IGSO卫星钟差的3个主周期依次为24、12和8h,而MEO卫星钟差的3个主周期依次为12.91、6.44和24h。与改进前相比,周期项改进后的钟差预报模型将北斗卫星钟差在24h以内的预报精度提高了20%~40%。     

基于BDS广播星历的卫星轨道拟合精度分析

在实时定位导航中,为了提高利用BDS广播星历计算卫星位置的效率,提出将卫星轨道拟合为一个多项式.首先利用切比雪夫多项式拟合法,将拟合时段固定为1 h,拟合间隔固定为5 min,每30 s选取一个检验点,利用不同的拟合阶数,分别对GEO、IGSO、MEO三类不同类型的北斗卫星轨道进行拟合分析;然后将拟合阶数固定为9,利用2～6 min的拟合时间间隔,将三类卫星作为整体进行轨道拟合分析.算例表明,只要选取合适的拟合阶数,三类不同类型的北斗卫星轨道拟合精度都较高,拟合误差最大值在厘米级,误差均值在毫米级,满足精度要求;固定9阶拟合多项式时,2～6 min时间间隔的拟合精度都可以满足精度需求.切比雪夫多项式拟合法适用于BDS广播星历的卫星轨道拟合.      

勒让德多项式拟合IGS精密星历的算法改进

国际GNSS服务(IGS)精密星历每隔15 min提供一次卫星坐标,为了提高定位精度,往往需要获取任意时刻的卫星位置. 对IGS精密星历进行插值和拟合是获得连续历元卫星坐标常用的方法. 运用改进的勒让德多项式算法拟合卫星轨道坐标,并与常规算法进行比较,结果表明:常规算法仅在拟合阶数较低时能保持较高的精度. 在拟合时段为6 h时,LU分解 (LU Decomposition) 法与奇异值分解(SVD)法对奇异矩阵求解时均能保持较高的精度,而在拟合时段为12 h时,SVD分解法是对条件数较低的矩阵 B 进行分解求得多项式系数矩阵 C ,从而避免了病态矩阵产生的误差,因此仍能保持较高的精度. 在高阶拟合时,SVD分解法无论是在精度还是稳定性方面均优于LU分解法和常规算法,优势明显.      

顾及周期项的北斗卫星钟差建模与预报

以三种卫星轨道的北斗卫星精密钟差为数据源,在采用频谱分析诊断出钟差拟合残差的周期特性基础上,分析了不同类型轨道卫星钟差的周期性特征;为实现钟差拟合残差的周期拟合,讨论了不同阶数三角级数对建模精度的影响,继而采用顾及周期项的二次多项式模型进行钟差的建模与预报,分析比较了不同轨道类型卫星钟差的预报精度情况。     

多系统GNSS卫星轨道快速积分方法

快速高效且高精度的轨道数值积分算法是多系统GNSS卫星联合快速精密定轨的重要基础。本文从自适应变换Admas积分步长和多卫星同步积分两方面研究了多系统GNSS卫星轨道快速积分方法。为了验证该方法的精度和效率,利用武汉大学(WHU)与欧洲定轨中心(CODE)发布的事后精密星历进行轨道动力学拟合。试验结果表明:GPS/GLONASS/BDS/Galileo 4个系统卫星平均三维RMS均优于20mm;在不损失传统方法精度的前提下,单颗卫星平均积分与拟合耗时仅需0.09s,较传统逐颗卫星固定步长积分算法提升了14倍,并且随着卫星数的增加,效率提升越明显。     

Efficient interpolations to GPS orbits for precise wide area applications

For precise real time or near real time differential GPS positioning in a wide or global area, precise GPS orbits or, alternatively, precise orbital corrections with respect to a reference orbit, such as GPS broadcast ephemerides, must be used. This work tests orbit interpolation methods, in order to represent the GPS orbits and orbital corrections accurately and efficiently for these and other GPS applications. For precise GPS orbits given in the SP3 format at the 15 min interval, numerical tests were conducted using Lagrange and Chebyshev as well as trigonometric polynomial functions. The results have demonstrated that the 19- or 20-term trigonometric function is apparently the most efficient interpolator for a 12 h GPS orbital arc, achieving 1 cm level 3D interpolation accuracy that can meet the requirements of most precise applications. The test results also demonstrated that the 9-term trigonometric function always yields optimal interpolation for a 2 h GPS orbit arc, in terms of interpolation errors, compared to the results when using a different number of terms for the same function or one of the other tested polynomial functions. This is evident from the minimal performance degradation when using the 9-term trigonometric function to interpolate near or at the end of a data interval. By limiting interpolation to the center 15 min to 1.5 h of a 2 h orbit arc, thereby eliminating the need to interpolate near the ends of that interval, users can opt for more terms (11 and 13) or different interpolators to further improve interpolation accuracy. When interpolating the orbital corrections with respect to the GPS broadcast ephemeris, all the tested interpolation functions of 3- to 9-term yield the same suitably accurate results. Therefore, a 3- to 5-term trigonometric function is arguably sufficiently accurate and more efficient for GPS orbital correction messaging in wide area and real time positioning.     

星载SAR卫星轨道状态向量确定理论与应用

简要介绍星载SAR轨道特点以及轨道状态向量确定方法,利用Gamma软件获得一景SAR影像的粗轨和精轨数据,并在Matlab下用多项式拟合方法实现数据拟合,并给出拟合品质的好坏,表明DEOS提供的精密轨道数据对干涉处理具有较好的效果。     

广播星历参数拟合算法研究

导航卫星一般采用近圆轨道,当卫星轨道偏心率或者轨道倾角接近于0时,利用GPS卫星开普勒轨道根数拟合卫星广播星历会出现一些问题。当高轨卫星轨道偏心率接近0时,广播星历拟合精度下降甚至拟合失败,为此本文提出了减少拟合参数个数、固定轨道根数M0或者延长星历参数拟合弧段长度的方法;针对GEO卫星在小倾角情况下,广播星历可能拟合失败的情况,本文提出了改变坐标系参考轨道面,在新的坐标系下拟合广播星历的方法。结果表明,改进后的拟合方法能适用于各种类型的导航卫星轨道,拟合精度在cm级或者mm级。     

切比雪夫多项式拟合卫星轨道与钟差的精度分析

利用切比雪夫多项式拟合卫星轨道,用经验统计法确定轨道不同弧段数据的满足精度要求的拟合阶数区间,发现非最佳拟合阶数会引入较大的拟合噪声,因此在精密计算时应选择最佳拟合阶数。本文用此多项式拟合卫星钟差,能达到内插钟差同等的精度,而且与拉格朗日滑动内插相比,拟合残差序列分布更好,计算效率更高;提出利用残差自相关进行精度评定的方法,当精度变化微小时相比一般的精度评定方法具有明显优势。     

GPS精密星历插值方法的比较研究

GPS高精度测量中通常需要对GPS精密星历进行轨道插值，本文分别采用拉格朗日插值、切比雪夫多项式拟合以及线性逐次Neville插值三种方法对GPS卫星轨道进行了插值，比较了三种方法的特性及插值结果，得出了一些有益结论。     

星地跟踪网的导航卫星精密轨道确定及预报

针对区域跟踪网不能覆盖导航卫星全弧段从而导致卫星定轨精度低的问题,简述了导航卫星和低轨卫星联合定轨模型,然后利用星地跟踪网观测数据同时确定了低轨卫星和导航卫星精密轨道,并根据实验结果详细分析了低轨卫星在联合定轨中所起到的作用。计算结果表明,引入低轨卫星之后,全球网和区域网定轨精度分别平均提高了20.0%和44.3%,区域网6h和24h的轨道预报精度分别优于10cm、13cm,利用星地跟踪网观测数据联合定轨方案是一种提高定轨精度并削弱对地面站依赖性的有效方法。     

基于预报钟差的轨道快速恢复

我国北斗卫星导航系统由GEO/IGSO/MEO混合星座构成,基本每7~10 d就会有一颗GEO卫星或IGSO卫星进行轨控操作。从卫星轨控开始,卫星存在5~6 h的不健康时期。造成机动卫星长期不健康的关键因素之一在于卫星和测站钟差数据的积累周期较长。本文提出了一种基于预报钟差的轨道快速恢复算法,通过结合星钟和站钟预报压缩机动卫星定轨观测数据积累的时间,从而缩短卫星恢复所需时间。6组机动试验结果表明:采用预报钟差策略在快速恢复初期的前几个小时对轨道预报的贡献尤为显著,对第1组定轨URE预报贡献最大可达84.82%。从3~8 h期间6组定轨平均情况来看,采用优化策略的预报URE,C01平均降低了26.06%,C04平均降低了31.58%,C03降低了9.95%。经测试该方法至少能将卫星不可用时间压缩1 h,对北斗系统建设具有重要工程应用价值。