低轨导航增强卫星广播星历拟合模型研究.pdf

V o l N o 航天器工程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G第 卷第期 年月低轨导航增强卫星广播星历拟合模型研究杨开伟刘涵宇孙腾达孙秀聪徐明(中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄 )(北京航空航天大学 宇航学院,北京 )收稿日期:;修回日期:基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(YWF L )作者简介:杨开伟,男,硕士,高级工程师,从事卫星导航研究工作.通讯作者:孙秀聪,男,博士,副研究员,从事航天器导航与控制研究工作.摘要传统的广播星历模型(如G P S的 参数模型和 参数模型)是针对中高轨卫星设计的,而中高轨卫星与低轨卫星所受摄动力有所区别,如果直接将传统模型应用到低轨卫星上,拟合精度会降低,因此需要针对低轨卫星所受摄动的特点设计更加合理的广播星历模型.考虑到大气阻力主要改变平面内的轨道要素,文章在 参数模型的基础上增加偏心率变化率这一参数,设计基于轨道根数的 参数模型,并分别对不同轨道高度和倾角的卫星进行位置拟合试验.试验结果表明:在相同仿真场景下,参数模型的位置拟合精度高于 参数模型;同时,对于大倾角卫星的长弧段位置,其拟合精度与 参数模型近似.关键词低轨卫星;广播星历;导航增强;参数模型中图分类号:V 文献标志码:AD O I:/j i s s n R e s e a r c ho nB r o a d c a s tE p h e m e r i sF i t t i n gM o d e l o fL o wO r b i tN a v i g a t i o nA u g m e n t a t i o nS a t e l l i t eYANGK a i w e iL I U H a n y uS UNT e n g d aS UNX i u c o n gXU M i n g(T h e t hR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yG r o u pC o r p o r a t i o n,S h i j i a z h u a n g ,C h i n a)(S c h o o l o fA s t r o n a u t i c s,B e i h a n gU n i v e r s i t y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T r a d i t i o n a lb r o a d c a s t e p h e m e r i sp a r a m e t e rm o d e l s,s u c ha s t h eG P S p a r a m e t e ra n d p a r a m e t e rm o d e l s,a r ed e s i g n e d f o rm e d i u mt oh i g ho r b i t s a t e l l i t e s H o w e v e r,t h e r ea r ed i f f e r e n c e s i nt h ep e r t u r b a t i o nf o r c e sb e t w e e nm e d i u mt oh i g ho r b i t s a t e l l i t e sa n d l o wo r b i t s a t e l l i t e s I f t h e t r a d i t i o n a lm o d e l i sd i r e c t l ya p p l i e dt ol o wo r b i ts a t e l l i t e s,t h ef i t t i n ga c c u r a c yw i l lb er e d u c e d T h e r e f o r e,i t i sn e c e s s a r y t od e s i g nam o r e r e a s o n a b l eb r o a d c a s t e p h e m e r i sm o d e l b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep e r t u r b a t i o no f l o wo r b i ts a t e l l i t e s C o n s i d e r i n gt h a ta t m o s p h e r i cd r a gm a i n l yc h a n g e s t h eo r b i t a l e l e m e n t s i nt h eo r b i t a lp l a n e,t h ec h a n g er a t eo fe c c e n t r i c i t yi sa d d e dt ob r o a d c a s t e p h e m e r i sp a r a m e t e r sb a s e do nt h e p a r a m e t e rm o d e l,l e a d i n gt oa p a r a m e t e rm o d e lb a s e do no r b i t a l e l e m e n t s T h e n,p o s i t i o nf i t t i n gt e s t sa r ec o n d u c t e do ns a t e l l i t e sw i t hd i f f e r e n to r b i t a l t i t u d e s a n d i n c l i n a t i o na n g l e s T h e t e s t r e s u l t s s h o wt h a tu n d e r t h e s a m e s i m u l a t i o ns c e n a r i o,t h e f i t t i n ga c c u r a c yo f t h e p a r a m e t e rm o d e l i sh i g h e rt h a nt h a to f t h e p a r a m e t e rm o d e l,a n dt h ep o s i t i o nf i t t i n ga c c u r a c yo f t h e p a r a m e t e rm o d e l f o r t h e l o n ga r co f l a r g e i n c l i n a t i o na n g l es a t e l l i t e s i ss i m i l a r t ot h a to f t h e p a r a m e t e rm o d e l K e yw o r d s:l o wo r b i t s a t e l l i t e;b r o a d c a s t e p h e m e r i s;n a v i g a t i o na u g m e n t a t i o n;p a r a m e t e rm o d e l近年来,全球卫星导航系统(GN S S)迅速发展,在人类社会生活的方方面面发挥着不可或缺的作用,涉及到测绘、交通、救援等诸多方面.随着自动驾驶、物联网、G等新兴产业的发展,社会生产生活对卫星导航服务提出了更高的要求,对时空信息的需求发展为精准、实时、动态和全球 .GN S S的不足之处也逐渐显露出来.GN S S在常规情况下只能提供 m左右的定位精度,而无法满足用户高精度的需求;此外,导航卫星信号到达地面时极其微弱,不但导致其极易受到干扰和欺骗,而且导致其难以穿透物理遮蔽,无法在室内、水下等复杂地形中提供高精度的定位服务,.导航增强技术是解决上述问题、提升导航服务性能的一种可行方案,能利用低轨导航增强卫星产生测距信号并与中高轨GN S S系统协同提供导航服务.传统的导航增强系统采用的是地球静止轨道(G E O)卫星,但G E O卫星轨道资源有限,而且用户接收到的信号弱,容易受到干扰,无法满足用户日益增长的高精度定位需求.低轨卫星则没有上述问题,其轨道高度低,信号的自由空间损耗低,落地信号更强,抗干扰性能更好.此外,由于低轨导航增强卫星的飞行速度较快,相等时间的位置变化较大,从而使得历元间量测信息的相关性下降,能提高系统的可观测度,加快载波相位模糊度的收敛速度.例如,美国的铱下一代(I r i d i u m N E X T)星座提供的卫星授时与定位服务,已经能够脱离G P S单独提供定位服务,因而低轨导航增强卫星可以在G P S受到干扰的情况下提供备份的导航服务.我国的珞珈一号卫星搭载有导航增强载荷,并开展了一系列低轨卫星增强相关试验.高精度确定用户的位置需要导航卫星高精度的位置信息,导航卫星的位置信息由广播星历计算,因此广播星历的高精度计算方法得到了广泛的研究.目前,应用广泛的广播星历参数模型有种,主要是针对中高轨卫星,一种是以G P S为代表的基于轨道根数的广播星历参数模型;一种是以格洛纳斯(G L ONA S S)为代表的基于轨道状态的广播星历参数模 型.G P S广 播 星 历 参 数 模 型 的 精 度 和G L ONA S S相当,但前者的预报能力更强,用户算法更简单;后者的优势是其参数更少,占用导航信号的资源少.卫星设备、通信链路和用户性能等多方面的限制,要求广播星历模型具有参数少、外推能力强、用户算法简单等特点,因此G P S广播星历参数模型应用更加广泛.传统的G P S系统采用的是包括个开普勒轨道参数、个轨道参数变化项、个调和项系数和个参考历元的 参数模型.在原来 参数的基础上,G P S系统后续又发展了 参数模型.参数模型中考虑卫星所受摄动力对卫星轨道半长轴、平均角速度及升交点赤经的影响,相较于 参数模型更加注重卫星轨道的瞬时变化,拟合精度更高.参数模型和 参数模型都是针对中高轨卫星设计的,而低轨卫星与中高轨卫星所受摄动力有所区别,如果将这种参数模型直接应用在低轨卫星上,将无法满足高精度的定位需求,因此需要根据低轨卫星的特点重新设计广播星历参数模型.文献 中利用轨道高度约 k m的低轨卫星在 参数模型的基础上设计了 参数的广播星历拟合算法,增加了轨道偏心率的变化率、升交角线性变化率和个调和改正项振幅共 个参数,其h轨道弧段的均方差小于 m,局部弧段拟合误差小于 m,但参数过多,因此占用的导航信号资源多.文献 中考虑了低轨卫星摄动力的短期变化快,在G L ONA S S广播星历参数模型的基础上设计了基于轨道状态的 参数模型.其研究显示:当低轨卫星轨道高度大于 k m时,用户距离误差(F UR E)精度在 c m以内;当轨道高度降低至 k m时,F UR E精度优于 m.虽然相对于 参数模型来说 参数模型参数少,但是用于确定卫星位置的用户算法外推效率较低,因此限制了其被广泛应用.针对 参数和 参数占用导航信号资源多、用户算法复杂的问题,本文提出了一种兼具拟合精度、计算效率和占用导航信号资源少的模型.考虑到大气阻力主要改变平面内的轨道要素,在 参数模型的基础上仅增加偏心率变化率这一参数,设计了 参数模型,并针对 k m高度的低轨卫星进行了 参数模型最小二乘拟合,检验了这种星历模型的有效性,验证了其拟合精度要优于 参数模型.本文提出的 参数模型对大倾角(不小于 )卫星的长时弧段(h)的位置拟合精度与 参数模型近似,但所需参数量大大减少,可为低轨导航增强卫星的广播星历提供一种兼顾精度与计算资源的模型.第期杨开伟 等:低轨导航增强卫星广播星历拟合模型研究 参数模型 广播星历参数 参数模型