淺談衛(wèi)星軌道的比較方法
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1軌道重疊弧段比較
脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型為分析脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型對(duì)CEO衛(wèi)星機(jī)動(dòng)定軌的適用性，分別用共12個(gè)監(jiān)測(cè)站L波段偽距和相位數(shù)據(jù)定軌。定軌解算參數(shù)包括6個(gè)軌道根數(shù)、2個(gè)光壓參數(shù)（1個(gè)尺度因子、1個(gè)Y偏差參數(shù)）、4個(gè)法向和沿跡方向周期經(jīng)驗(yàn)力參數(shù)、對(duì)流層參數(shù)、衛(wèi)星和測(cè)站鐘差參數(shù)以及載波相位模糊度參數(shù)等。機(jī)動(dòng)期間三段同時(shí)在軌道面徑向、沿跡和法向估計(jì)脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型參數(shù)。采用脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型時(shí)，如果僅采用L波段偽距及載波相位數(shù)據(jù)，機(jī)動(dòng)期間軌道重疊弧段誤差可達(dá)20m左右。當(dāng)增加了C波段轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)軌數(shù)據(jù)后，軌道重疊弧段精度減小到3m以內(nèi)。分析認(rèn)為，由于脈沖機(jī)動(dòng)力模型存在速度跳變，速度跳變影響周跳檢測(cè)準(zhǔn)確性，使得載波相位模糊度參數(shù)數(shù)量發(fā)生變化，影響參數(shù)解算的準(zhǔn)確性。當(dāng)增加C波段轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距數(shù)據(jù)后，由于增加了較強(qiáng)的距離約束條件，使得定軌結(jié)果有了顯著改善。分段線性卵數(shù)模型定軌結(jié)果為驗(yàn)證分段線性模型的適用性，采用與上節(jié)分析脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型相同的數(shù)據(jù)源進(jìn)行了仿真定軌實(shí)驗(yàn)。定軌解算參數(shù)包括6個(gè)軌道根數(shù)、2個(gè)光壓參數(shù)（1個(gè)尺度因子、1個(gè)Y偏差參數(shù)）、4個(gè)法向和沿跡方向周期經(jīng)驗(yàn)力參數(shù)、對(duì)流層參數(shù)、衛(wèi)星和測(cè)站鐘差參數(shù)以及載波相位模糊度參數(shù)等。機(jī)動(dòng)期間同時(shí)在軌道面徑向、沿跡和法向分別估計(jì)分段線性卵數(shù)1個(gè)常數(shù)項(xiàng)和1個(gè)線性項(xiàng)共6個(gè)參數(shù)。比較兩弧段定軌結(jié)果的重疊弧段采用分段線性經(jīng)驗(yàn)力模型時(shí)，如果僅采用L波段偽距及載波相位數(shù)據(jù)，機(jī)動(dòng)期間軌道重疊弧段誤差約為16m左右；當(dāng)增加了C波段轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)軌數(shù)據(jù)后，軌道重疊弧段精度提高到3m以內(nèi)。對(duì)比分段線性模型和脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型軌道重疊弧段結(jié)果看出，脈沖機(jī)動(dòng)力模型具有較好的局部性，雖然機(jī)動(dòng)期間軌道誤差稍大，但模型影響范圍很有限，機(jī)動(dòng)前后軌道基本不受機(jī)動(dòng)期間軌道影響。相比而言，分段線性模型盡管在機(jī)動(dòng)期間稍好，但模型對(duì)機(jī)動(dòng)后軌道影響較為顯著，同時(shí)軌道更加平滑。
2軌道預(yù)報(bào)精度比較
定軌精度本質(zhì)上反映的是軌道擬合精度，只能部分反映動(dòng)力學(xué)模型精度。軌道預(yù)報(bào)精度對(duì)動(dòng)力學(xué)模型合理性的評(píng)價(jià)更為客觀。為此，分別采用兩種動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了預(yù)報(bào)精度分析。利用2011－11－0500：00～11－0702：50的L波段偽距、載波相位以及C波段轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)軌數(shù)據(jù)定軌，其中11－0700：30～11－0700：50之間G3星存在軌道機(jī)動(dòng)。機(jī)動(dòng)期間分別采用分段線性經(jīng)驗(yàn)力模型和脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型進(jìn)行機(jī)動(dòng)力建模。分段線性模型在軌道R、T、N3方向均采用三角卵數(shù)建模，估計(jì)參數(shù)為3個(gè)節(jié)點(diǎn)處的坐標(biāo)值。將定軌結(jié)果預(yù)報(bào)4h，與機(jī)動(dòng)后標(biāo)準(zhǔn)軌道比較采用分段線性經(jīng)驗(yàn)力模型，機(jī)動(dòng)前數(shù)據(jù)加機(jī)動(dòng)后2h數(shù)據(jù)軌道擬合精度約20m；而預(yù)報(bào)4h后，軌道R、N兩方向誤差顯著增加，最大可超過(guò)60m。因此，分段線性模型不利于軌道預(yù)報(bào)。利用上述時(shí)段同樣數(shù)據(jù)，采用脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型進(jìn)行定軌，解算參數(shù)為：機(jī)動(dòng)期間，在軌道面每個(gè)方向分別分3段解3個(gè)參數(shù)。將定軌結(jié)果預(yù)報(bào)4h，與標(biāo)準(zhǔn)軌道比較，結(jié)果如圖8。由圖8看出，機(jī)動(dòng)期間，脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型機(jī)動(dòng)前數(shù)據(jù)加機(jī)動(dòng)后2h數(shù)據(jù)軌道擬合精度可達(dá)28m，但機(jī)動(dòng)后預(yù)報(bào)4h，軌道預(yù)報(bào)精度顯著改善，尤其在軌道面R、T方向，預(yù)報(bào)精度優(yōu)于5m；軌道面法向精度最差，接近16m。上述結(jié)果表明，脈沖卵數(shù)模型在東西機(jī)動(dòng)后軌道預(yù)報(bào)方面具有較好的優(yōu)勢(shì)：首先，軌道機(jī)動(dòng)主要采用脈沖點(diǎn)火方式，與脈沖機(jī)動(dòng)力模型特性類似；其次，脈沖力模型本質(zhì)上相當(dāng)于短弧定軌，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型先驗(yàn)信息的利用率較低，而分段線性模型則對(duì)機(jī)動(dòng)前后軌道的平滑性有較強(qiáng)要求，使得需要機(jī)動(dòng)后很長(zhǎng)時(shí)間軌道信息才能準(zhǔn)確確定機(jī)動(dòng)力。對(duì)于機(jī)動(dòng)幅度較大的南北機(jī)動(dòng)，由于衛(wèi)星力學(xué)狀態(tài)變化更加復(fù)雜，需要加密解算參數(shù)，脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型重觀測(cè)幾何輕動(dòng)力學(xué)推演的優(yōu)勢(shì)更加明顯。這一點(diǎn)可以從短弧動(dòng)力預(yù)報(bào)結(jié)果驗(yàn)證。利用機(jī)動(dòng)后2h數(shù)據(jù)進(jìn)行短弧定軌，定軌中太陽(yáng)光壓、周期經(jīng)驗(yàn)力等模型參數(shù)固定為機(jī)動(dòng)前軌道對(duì)應(yīng)參數(shù)值，解算參數(shù)僅為6個(gè)軌道根數(shù)。將定軌結(jié)果預(yù)報(bào)4h，與標(biāo)準(zhǔn)軌道比較短弧動(dòng)力學(xué)方法軌道預(yù)報(bào)精度與脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型法精度接近，位置誤差小于18m。因此，若從軌道預(yù)報(bào)精度方面考慮，短弧動(dòng)力學(xué)方法相比線性機(jī)動(dòng)力建模方法更加有效，與脈沖機(jī)動(dòng)力建模法相當(dāng)。
3結(jié)語(yǔ)
本文分別采用脈沖經(jīng)驗(yàn)力方法、分段線性卵數(shù)方法和短弧動(dòng)力學(xué)方法研究了CEO衛(wèi)星機(jī)動(dòng)期間的定軌及預(yù)報(bào)精度。結(jié)果表明，脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型能較好地?cái)M合機(jī)動(dòng)條件下衛(wèi)星局部運(yùn)動(dòng)特性，軌道擬合精度和預(yù)報(bào)精度均優(yōu)于分段線性模型，兩種方法單天軌道擬合精度均可優(yōu)于5m；短弧動(dòng)力學(xué)方法軌道預(yù)報(bào)精度優(yōu)于分段線性經(jīng)驗(yàn)力模型法，與脈沖經(jīng)驗(yàn)力模型法預(yù)報(bào)精度相當(dāng)，用機(jī)動(dòng)后2h數(shù)據(jù)定軌，預(yù)報(bào)4h位置精度優(yōu)于18m，是一種更適合在線運(yùn)行的處理策略。
作者：陳攀垰單位：四川衛(wèi)星發(fā)射基地
