潮汐摄动对导航卫星自主定轨的影响分析.PDF

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潮汐摄动对导航卫星自主定轨的影响分析

潮汐摄动对导航卫星自主定轨的影响分析 1 1 1 2 刘万科 ,龚晓颖 ,李征航 ,丁文武 1 武汉大学测绘学院,武汉(430079) 2 中国科学院测量与地球物理研究所,武汉(430077) E-mail :wkliu@ 摘 要:讨论了仅利用星间测距观测值进行导航卫星自主定轨时所遇到的星座整体旋转问 题,分析了潮汐摄动对升交点赤经以及导航卫星自主定轨的影响。模拟计算结果表明,潮汐 对自主定轨的沿迹和法向的误差影响较大,而且这种影响随着自主定轨时间的增加会越来越 大,在 110天时,其影响可达 4m,由此指出了在高精度自主定轨中顾及潮汐摄动的必要性。 关键词:导航卫星;自主定轨;星座整体旋转;潮汐摄动 1.引 言 通过在导航卫星上增加星间测距、数据通信和计算系统,实现广播星历的在轨更新(称 之为自主定轨或自主导航[1]),不仅能提高导航卫星定轨的精度,而且可以大大提高系统的 战时生存能力。正因为如此,在开始组建 GPS时,美国就开始了导航卫星的自主定轨研究, 并于 1990 年6 月基本完成了理论研究、技术设计和数据模拟计算等工作,并在随后的 Block IIR 型卫星上实现了自主定轨的功能。预计到 2011 年Block IIA 卫星将退出使用,届时整 个 GPS 星座都将由具有自主定轨能力的卫星组成,从而进入全面自主定轨阶段[1,2]。随着北 斗卫星导航系统组建工作的开展,我国也开始了自主定轨问题的相关研究工作。 由于受星载设备对质量、体积、功耗的限制,并考虑到目前的测距、测速、测向观测技 术的特点,当前的导航卫星自主定轨系统基本上都是采用无线电星间测距的方式来进行的 [1-3]。在仅利用星间测距数据的自主定轨中,将不可避免地遇到星座旋转的不可观测性问题, 以及由此引起的秩亏性问题[1-9]。虽然在参数估计过程中,可以通过引入先验信息解决秩亏 性问题,但是并不能彻底消除星座旋转误差;如果自主定轨算法不能有效地控制或约束星座 整体旋转误差,将会严重影响卫星星历的精度,进而降低广大用户的导航定位精度[1-3]。因 此如何有效地解决星座的整体旋转问题是导航卫星自主定轨研究的一个热点问题,也是自主 定轨的关键所在。在目前可查的有关导航卫星自主定轨的国内外资料中,普遍忽略了微小摄 动力(特别是潮汐摄动力)对星座旋转误差的影响,因此本文将着重分析潮汐摄动对星座旋 转误差及自主定轨的影响,以便为后续的研究提供参考。限于篇幅,本文对自主定轨的基本 观测方程、参数估计方法、动力学定轨及软件研制等基本内容不予介绍,读者可参阅文献 [2-4]。 2. 导航星座的整体旋转问题 2.1 星座整体旋转的必然性 本课题得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号:20050486040 )的资助。 -1- 根据高斯(Gauss )摄动运动方程,升交点赤经Ω和轨道倾角i 的摄动方程可表示为[4,10] : dΩ r sin u = ⋅fW dt na2 sin i 1 −e2 di r cos u (1) = ⋅fW dt 2 2

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