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1、 CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 1 1 区域监测网精密定轨与轨道预报精度分析 周善石1.2. 胡小工1. 吴斌1.(1.中国科学院上海天文台，上海， 200030； 2. 国家卫星导航与定位教育部重点实验室，武汉， 430072） 摘 要： 我国导航系统采用区域监测网提供导航服务。区域网不能覆盖 MEO 卫星全弧段，并且由于卫星相对于监测网几何条件的限制，区域网定轨预报与全球网定轨预报精度水平相比有较大差距。由于轨道预报精度决定于初始轨道根数和力学模型的精度，需要分析区域网定轨解算的卫星初始轨道误差和力学模型误差。本文采用全球网和区域网 GPS 数据进行精密定轨和预报试验
2、，以 IGS 精密轨道为基准，分析了中国区域网定轨精度。以全球网解算的太阳辐射压参数（卫星坐标系中 X、Z 方向辐射压系数和 Y -bias）和经验力参数为参考，分析了区域网动力学参数解算的精度。计算表明，区域网定轨精度与GPS卫星相对于监测网的几何构形有关，较好构形的卫星定轨用户距离精度URE 可达到16 cm，构形较差卫星URE约为64 cm。区域网同时解算太阳光压和经验力参数时，大部分卫星辐射压参数与全球网参考值偏差在10%以上，而经验力参数较全球网参考值大一个量级。若区域网定轨不解算经验力参数，可能会降低定轨精度，但同时提高了辐射压参数的精度，进而有助于提高预报精度。在区域网定轨时，采
3、用与全球网相同的策略可获得高精度的初始轨道根数，而采用简化模型的策略可获得高精度的动力学参数，结合上述两种策略，计算表明，采用区域网精密定轨并预报 1 天的平均URE好于0.58 m。 关键词： 区域网；定轨；轨道预报；太阳辐射压；用户距离精度 Analysis of Orbit Determination and Prediction Accuracy for a Regional Tracking Network Zhou Shanshi1. 2.Hu Xiaogong1.Wu Bin1.(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Acad
4、emy of Sciences, Shanghai, China 2. Research Center of GNSS, Wuhan, China) Abstract: Limited by its national border, Chinas COMPASS satellite system relies on a regional tracking network to provide navigation services. For MEO satellites that constitute the core of the COMPASS constellation, the reg
5、ional network is able to cover only 30% of their orbits, limiting the orbit determination and prediction accuracy. Two major error sources for orbital prediction are accuracy of initial orbital elements and dynamical modeling. To quantify these error sources for the planned COMPASS tracking network,
6、 we carry out orbit determination and prediction experiments with GPS data collected with a comparatable regional GPS network. Our experiments show that the regional network orbit accuracy strongly correlates with tracking geometry, with user range error (URE) varying between 16 to 64 cm among the 2
7、4 GPS satellites. Solar radiation pressure (SRP) and empirical acceleration parameters are estimated along with the orbital elements as dynamical modeling parameters. Regional network SRP parameter estimates are different from their global network counterparts by about 10%, and the regional network
8、empirical acceleration parameters are more than an order of magnitude larger than their global counterparts, in result of sub-optimal prediction accuracy. To achieve better orbital prediction accuracy, we propose a two-step orbit determination and prediction strategy. For step 1, only SRP parameters
9、 are estimated along with the orbital elements; for step 2, both SRP and empirical acceleration parameters are estimated but the SRP parameters are constrained to their step 1 estimates. Step 1 obtains reasonable SRP estimates but generally less optimal orbits because the SRP model is not accurate e
10、nough, but with step 2, both the orbits and the dynamical modeling parameters are improved. Predicted orbits are generated based on step 2 orbital elements and dynamical parameter estimates. We conclude for 24 hour prediction, an average of 0.58 m URE is achievable for the regional network. Keywords
11、: regional tracking network; orbit determination; orbit prediction; SRP; URE 区域监测网精密定轨与轨道预报精度分析 2 2 1 引言 International GNSS Service(IGS)采用全球均匀分布的监测站为 GPS提供预报一天精度约为 5 cm的超快速预报轨道和精度约为 2.5 cm 的事后精密轨道1。 GPS 星座由分布于六个轨道面的超过 24 颗 MEO 卫星构成。 相比之下， 我国卫星导航系统空间部分采用地球静止轨道 (GEO)/倾斜地球同步轨道 (IGSO)/MEO混合星座设计，导航系统包括 3
12、 颗 GEO， 3 颗 IGSO 和 24 颗 MEO 卫星。与 GPS 的全球布网不同，受限于国土地理分布的限制，我国导航系统的地面部分采用境内分布的区域监测网进行定轨与预报2。MEO 卫星数目多，对导航用户定位的几何强度因子（ GDOP）贡献较大。然而由于区域监测网不能覆盖MEO 卫星全部轨道弧段，采用非差方法对单颗 MEO 卫星进行定轨时，其径向精度仅约为 3 m3。单颗卫星精密定轨需对星地钟差简化建模45，而由于简化模型存在误差，定轨和预报的精度难以提高。仿真分析表明，需要采用与 IGS 类似的定轨和预报策略，即多星组网同时解算轨道和每个历元钟差参数，才能达到系统设计的指标要求6。为了
13、验证仿真分析的结论，本文利用中国区域监测网的 GPS 数据，采用多星定轨方法，同时解算各卫星轨道，卫星钟差，轨道动力学参数及监测站钟差等参数，并对区域网多星定轨与预报进行精度分析。 对导航服务而言，主要关注的是轨道预报的精度。轨道预报时通常使用定轨结果进行外推。与定轨的误差源（时空参考系、大气模型、动力学建模等）不同，预报精度仅决定于定轨获得的初轨和力学模型的精度。目前 IGS 采用全球监测网进行定轨解算，监测站分布较均匀，并且可以覆盖各 GPS 卫星全弧段，精密定轨力学参数解算精度较高。简单利用定轨解算的动力学参数和卫星初始轨道进行轨道预报就可以得到较高精度的预报轨道7。但是仿真计算表明，若
14、将全球监测网定轨预报策略应用于区域监测网，轨道预报的精度无法满足导航系统的指标要求。 根据误差协方差理论，由于区域监测网对卫星观测弧长有限、卫星相对监测网几何构形各不相同，使得区域网精密定轨精度显著低于全球网定轨精度，同时根据区域网数据解算得到的动力学参数之间有较强的统计相关性，不利于预报精度的提高。为了详细分析区域网定轨和轨道预报的精度水平，本文以2002-05-03 至 2002-05-07 共 5 天的 GPS 数据为例， 定量评估利用区域监测网数据对 MEO 卫星定轨和预报的精度。对其它时段的 GPS 定轨试验得到与本文一致的结论，限于篇幅未讨论。 针对区域监测网的特征，本文分析了以下
15、四种策略的定轨和预报精度： 策略一：采用全球分布的 47 个监测站 1 天观测数据进行精密定轨并预报。解算参数包括：卫星初轨参数、太阳辐射压摄动系数、辐射压 Y-bias、经验力参数、卫星与监测站钟差、监测站大气天顶延迟和模糊度参数。图 1-a 给出了全球网监测站分布情况。 策略二：采用中国区域监测网 7 个监测站连续 3 天观测数据进行精密定轨并预报。定轨解算参数同策略一。图 1-b 给出了区域网监测站分布情况。 策略三：同策略二，但不解算经验力参数。 策略四：同策略二，但基本固定策略三得到的太阳辐射压摄动系数，即使用策略三解算的辐射压参数结果作为先验信息，并在最小二乘估计时对辐射压参数的先
16、验误差予以强约束。 策略一适用于全球网数据的定轨和预报，也是大多数 IGS 分析中心采用的定轨策略，而后三个策略适用于区域网的定轨和预报。注意到策略二与策略一的差别除了处理的数据分别为全球网数据和区域网数据外，策略二的定轨弧段为 3 天。定轨试验表明，若采用 1 天或 2 天弧段的区域网定轨，其结果误差太大，而采用 4 天弧段定轨精度与 3 天定轨大致相当。策略三和策略四与策略二的差别在于对太阳辐射压摄动的不同处理，策略四的运行还需要策略三提供先验的约束信息。策略三和策略四结合起来就是本文重点研究的针对区域监测网的定轨预报两步法策略。 CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会 北京 3 3 图 1-a. 全球网监测站分布图 图 1-b. 区域网监测站分布图 IGS 的数据分析表明，对于 MEO 卫星的动力学建模时，由于地球非球形引力摄动、行星三体摄动等摄动模型可以精确模制， 而太阳辐射压摄动由于受卫星姿态及卫星表面材料特征影响， 难以
