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北斗IGSO和MEO卫星零偏状态下超快速轨道光压模型.docx
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北斗IGSO和MEO卫星零偏状态下超快速轨道光压模型.docx
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为 了 服 务 于 实 时 用 户 , 国 际 GNSS(global navigation satellite system) 服 务 组 织
[1]
(international GNSS service,IGS)从 2000-11-03 开始向全球每 12 h 更新一次 GPS 超快
速轨道产品(分别在 00:00 和 12:00 UTC,并伴有 3 h 的延迟)。然后,于 2004-04-19 IGS 将
更新频率提高到每 6 h 一次(增加 06:00 和 18:00 UTC)。中国发起建立的国际 GNSS 监测评估系
统(international GNSS monitoring & assessment system,iGMAS)提供 GPS、GLONASS、
Galileo 和北斗的超快速轨道产品。超快速轨道产品包含前 24 h 的观测轨道段和后 24 h 的预报轨
道段。轨道预报段采用动力学模型预报的方法实现,即首先采用事后精密轨道拟合得到初始参考时
刻精确的卫星轨道状态参数和动力学模型参数,然后基于解算的轨道参数采用动力学积分的方法实
现精密轨道预报。
动力学模型中,相较于其他非保守力,太阳光压力对导航卫星轨道产生较大的摄动力。由于光压力
的复杂性,受到太阳能量变化、卫星星体表面材质老化、姿态控制误差等多种因素的影响,太阳光
压摄动力很难精确模型化,是当前影响导航卫星轨道精度的主要误差源
[2]
。Beutler 等
[3]
以 ROCK
模型为先验模型,用 9 个参数来吸收 DYB 3 个方向上的常数项和周期项残差,建立了 ECOM 模型。
Springer 等
[4]
进一步开发了 ECOM 模型 ,建立了以卫 星 轨道高度角 为 函数的 6 参数模型,称 为
ECOM 2 模型。Bar-Sever 等
[5, 6]
基于 ROCK-T 模型 ,采用 长期 的精 密轨 道数 据进 行参 数拟 合,
构建了 GSPM 模型。Choi 等
[7]
研究了 GPS 预报轨道策略,发现 ECOM 9 比 ECOM 5 参数光压模
型得到的预报轨道精度更高,而 ECOM 5 参数模型具有更稳定的轨道框架旋转参数。半分析半经
验型模型介于分析型和经验型模型之间,旨在希望既像分析型模型一样具有实际的物理意义,也能
获得经验型模型的高精度轨道。具有代表性的是 Rodriguez-Solano 等开发的可校正 Box-Wing
模型
[8]
,该模型可直接校正卫星帆板和星体面板的光学属性参数,能获得和经验型模型相同的轨道
确定和预报精度。Rodriguez-Solano 等
[9]
发现在加入卫星偏航姿态后,可校正 Box-Wing 模型比
ECOM 5 模型得到的地影时期 BLOCK-IIA 卫星预报轨道精度更高。
上述光压模型都是在卫星动偏的条件下建立的,然而北斗卫星采取有别于 GPS 和 GLONASS 卫星
的姿态控制模式,其中,GEO 卫星采用零偏模式,IGSO 和 MEO 卫星采用动偏和零偏相互切换的
姿态控制模式。IGSO 和 MEO 卫星在轨道角等于 90°且高度角小于 4°时切换至零偏模式,直至轨
道角等于 90°且太阳高度角大于 4°。由于一天以内太阳高度角的变化小于 1°,零偏模式将持续 8 d
左右
[10, 11]
。卫星从动偏转换到零偏,其星体受照面将发生变化,传统的光压模型已经不适合该期间
的轨道确定和预报。郭靖
[10]
指出在 ECOM 5 参数模型中引入约束为 1.0×10
-10
m/s
2
的切向常量经
验加速度能大幅提高北斗 IGSO 和 MEO 在零偏时期的定轨精度。然而,在北斗卫星零偏期间,轨
道预报中采用的光压模型却几乎没有人研究。本文探讨不同光压模型下,北斗 IGSO 和 MEO 卫星
在零偏期间轨道预报的表现。由于北斗 GEO 卫星轨道有较大的未模型化的误差,且 GEO 卫星因
静地特性有频繁的机动调整,所以 GEO 卫星不在本文的分析中。
1 太阳光压摄动模型
在北斗 IGSO 和 MEO 零偏时期,为了比较和分析预报轨道的表现,本文共采用 ECOM 5 参数模型、
ECOM 9 参数模型、ECOM 5 参数加切向经验力模型和修改过后的可校正 Box-Wing 模型 4 种不
同的光压模型。4 种光压模型详细信息如表 1 所示。
1 采用的光压模型总结
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