不同大气密度模型对近地卫星定轨预报精度的影响.pdfVIP

不同大气密度模型对近地卫星定轨预报精度的影晌 秋宏兴1，2昊连大1王秀红2祝开建2吴新林2 (1．中国科学院南京紫金山天文台·南京·210008；2．西安卫星测控中心·两安·710043) 摘要通过使用西安卫星测控中G精密定轨预报软件PODPS对资源二号卫星实测GPS数 据的分析计算，比较了常用的8种三维失气模型在定轨预报中的精度，探讨了预报24小时 应采用的定轨数据长度和大气模型的选取原则，给出了大气密度模型中所用她磁指数和太阳 辐射流量等动态变化量的计算方法和基本数据的获取途径．对低轨卫星精密定轨中选择合适 的大气密度模型，进而提高定轨和预报精度有实际的参考意义。 关键词大气密度模型；精密定轨预报；定轨预报精度分析 1 引言 大气阻力摄动是影响近地卫星定轨预报精度的关键因素，人们在研究长期积累的大量大气密度相 关观测数据的基础上，不断推出新的大气密度模型【l，2J。但目前为止，尚无一个模型在任何情况下都 是最好的。随着航天技术的发展，各种卫星任务对精密定轨预报提出了越来越高的要求，对于特定轨 道选择合适的大气模型、定轨求解参数和定轨数据的使用长度等对提高定轨预报的精度是非常重要的。 大气阻力是低轨卫星主要的摄动力，与高层大气密度的变化密切相关。因此，掌握高层大气密度 的变化规律对卫星精密定轨和预报是十分重要的。由于目前对高层大气密度变化的机制尚未完全掌握， 所使用的各种大气密度模型多属于半经验公式。分为只随高度变化的一维模型和同时考虑高度、经度、 纬度、季节、周日等因素的三维模型。常用的有指数模型、Harris．Priester模型、Jacchia71p1iacchia77[”、 度以上高层大气变化机制非常复杂，大气密度基本上按指数模型随高度的增加而减小。事实上．大气 密度主要受高层大气温度的影响而变化，而太阳活动、时间、季节、纬度和地磁活动又影响大气温度 变化。因此，各种经验大气密度模型都采用大气温度来表征。200km以上的大气温度称为顶层温度， 顶层温度与太阳的10．7cm辐射流量F10．7相关。所以，用F10．7的变化来反映顶层温度和大气密度的 变化。无论哪种模型都不能保证在任何情况下总能稳定的表征大气密度的实际变化，其误差范围从10％ 到200％都是有可能的。在实际进行轨道计算时可通过输入太阳辐射流量F10．7和地磁指数KP的动态 变化值和解算大气龌力系数等手段来改进大气阻力模型的精度。 本文使用西安卫星钡4控中心精密定轨预报软件PODPS研究比较了常刚的大气模型在资源二号精 密定轨预报中的精度，分析了以24小时预报为目的的精密定轨应采用的观测数据长度平¨人气模型的选 取原则。对低轨卫星精密定轨中降低定轨残差，进而提高定轨和预报精度有实际的参考意义。 2地磁指数和太阳辐射流量的计算 各大气模型所要求输入的地磁指数和太阳辐射流量的值是不尽相同的，如DTM94火气密度模刑 514 值，。另外还用到3小时一个的地磁指数局，延迟时问随纬度变化，在两极为3小时，在办道附近为 模型需要81天太阳辐射流量的平均值及前一天太阳辐射流量的值。另外，MSISE系列模型还需要当 前的地磁指数一，值，当前所在3小时及前3、6、9小时一，的平均值，前12到33小时开始的8个3 小时以的平均值，前36到57小时开始的8个3小时』，的平均值等。目前尚没有供各模型直接输入 的值。只能得到事后每天一个，和每3小时一对玛、A，值，及每天一个F和以的预报值(具体格式 各密度模型公用的地磁指数和太阳辐射流量环境参数文件FLXLIS．TXT。大气密度对地磁指数和太刚 辐射流量的变化比较敏感。在准实时任务情况下，只可能获得地磁指数和太阳辐射流量参数的预报值。 而目前预报误差还比较大，尚没有好的解决办法。不过在定轨时通过求解大气阻力系数或其它与大气 月30日太阳辐射流量和地磁指数的实测和预报值的比较曲线。 图1从2004年10月lB刳2004年11月30日太阳辐射流量实测和预报值的比较 围2从2004年10月1日到2004年11月30日地磁指数Kp实测和预报值的比较 3不同大气密度模型对轨道确定精度的影响 大气密度模型的比较实际上是轨道动力学特性的比较，在定轨时主要受观测数据的精度和分布的 影响，与观测数据的类型关系不大。目前，在西安中心能得到的数据中，星载GPS位置速度数据对比 较大气模型在定轨时的表现较理想。这是因为GPS数据的分布通常比较连续，且其绝对精度也能得到 保证。所以在选择实验数据时尽量选GPS，在没有GP