衛星軌道

更新時間:2023-04-19 04:25:09 閱讀：評論：0

楊樹葉-一年級數學小故事簡短

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低軌衛星定軌綜述

摘要：
本文首先介紹了衛星軌道的分類標準，隨后簡述了星載GPS低軌衛星定位系統的體
系結構以及星載GPS定軌研究進展。最后重點分析了星載GPS低軌衛星的幾種定軌方
法
關鍵詞：
低軌衛星定軌 GPS接收機幾何法運動法約化動力法
衛星運行軌道的分類標準
人造衛星的運行軌道按形狀分類可以分為橢圓軌道和圓軌道：
橢圓軌道：偏心率不諧音歇后語等于0的衛星軌道，衛星在軌道上做非勻速運動，適合高緯度地
區通信。圓軌道：具有相對恒定的運動速度，可以提供較均勻的覆蓋特性，適合均勻覆蓋
的衛星系統
按傾角（衛星軌道平面與赤道平面的夾角，稱為衛星軌道平面的傾角）
赤道軌道。i=0?，軌道面與赤道面重合；靜止通信衛星就位于此軌道平面內。
極地軌道。i=90?，軌道面穿過地球南北極。
傾斜軌道。軌道面傾斜于赤道。根據衛星運動方向和地球自轉方向的差別分為
順行傾斜軌道，0?< i<90?
逆行傾斜軌道，90?< i<180?
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圖1
按高度分類
根據衛星運行軌道距離地面的高度h，可分為
低軌道 (LEO)：500
中軌道 (MEO)：8000km
靜止/同步軌道(GEO)：h=35786km。
高軌道(HEO)：h>20000km，橢圓軌道，遠地點可達40000km
地球同步軌道是運行周期與地球自轉周期相同的順行軌道。但其中有一種十分特殊的
軌道，叫你好前任地球靜止軌道。這種軌道的傾角為零，在地球赤道上空35786千米。地面上的人
看來，在這條軌道上運行的衛星是靜止不動的。一般通信衛星，廣播衛星，氣象衛星選用
這種軌道比較有利。地球同步軌道有無數條，而地球靜止軌道只有一條。
太陽同步軌道是軌道平面繞地球自轉軸旋轉的，方向與地球公轉方向相同，旋轉角速
度等于地球公轉的平均角速度（360度/年）的軌道，它距地球的高度不超過6000千米。在
這條軌道上運行的衛星以相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的。氣象衛星、地球
資源衛星一般采用這種軌道。
極地軌道是傾角為90度的軌道，在這條軌道上運行的衛星每圈都要經過地球兩極上
空，可以俯視整個地球表面。氣象衛星、地球資源衛星、偵察衛星常采用此軌道。

星載GPS定軌研究進展
最早進行星載 GPS 低軌衛星定軌研究的是 Lockheed Missiles 和 Space Division
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組織[1]。而真正將 GPS 用于衛星定軌的是美國于 1982 年發射的地球資源衛星
LANDSAT-4[2]。
在 T/P 衛星之前，如 LANDSAT-4、LANDSAT-5 及遠紫外探測器（Extreme
Ultraviolet Explorer）所搭載的星載 GPS 接收機都是單頻接收機，受電離層的影響較大，
而且這些衛星的高度都在 500 到 700 km，受重力場模型誤差的影響也比較大，因此，
這些衛星的定軌精度都比較低[3根據憲法規定 ]。高精度的星載 GPS 定軌能力在后來的 T/P 衛星得
以證明[4]，T/P 衛星是 1992 年美國航空航天局NASA和法國國家空間研究中心
CNES(Centre National d'Etudes Spatiales)聯合發射的海洋測高衛星，其軌道高度為 1336
km，不僅搭載了雙頻星載 GPS 接收機，而且還裝載了激光反射器及DORIS 系統。其
預期徑向精度為 13cm，而采用星載 GPS 得到的徑向定軌精度優于 3cm，其精度已相
當于或優于采用 SLR+DORIS 的定軌精度。
受到 T/P 衛星星載 GPS 定軌精度的鼓舞，在此之后的幾十個低軌衛星/航天器，
如美國 1993 年發射的 RADCAL 衛星，英國 1993 年發射的 UTOSAT 微型衛星以及
日本 1994年發射的 OREX 軌道重返試驗飛行器，都裝載了星載 GPS 接收機，此外，
還有德國的CHAMP（Challenging Mini-Satellite Payload），阿根廷的 SAC-C，美德合作
的 Microlab，丹麥的 Orsted，南非的 SUNSAT，法美的 JANSON-1，美德合作的
GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)，歐空局的 GOCE 和臺灣的
COSMIC 等衛星上，也都裝載了GPS 接罵人的話收機。
星載GPS低軌衛星定位系統的組成
星載GPS低軌衛星定軌的原理是在低軌衛星上裝載高動態GPS接收機，利用星載
GPS接收機觀測到的數據直接解算低軌衛星的瞬時三維位置，或和地面GPS跟蹤網觀
測到的數據進行差分，或和低軌衛星的動力學模型結合，可得到米級、分米級甚至厘米
級的實時或近實時的定軌結果(季善標等，2000)。
星載GPS低軌衛星定軌系統的組成都包括GPS空間星座部分、地面GPS跟蹤網、
低軌衛星星載GPS系統和地面數據處理中心四個部分(Bertiger et al，1994，季善標等，
2000)。星載GPS精密定軌系統POD(Preci Orbit Determination)要求低軌衛星上星載
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GPS接收機和地面GPS跟蹤網中的GPS接收機能連續跟蹤所有可視GPS衛星，然后這
些GPS觀測值都被傳輸到地面監控和處理中心，一起被用來估計低軌衛星軌道、GPS
衛星軌道、接收機和GPS衛星鐘差、相位中心偏差及其它一些參數，星載GPS定軌系
統構成示意圖如圖2：
(l)GPS空間星座部分
GPS空間星座部分由24顆等間隔分布在6個軌道面上、軌道傾角為55度、周期約
為12小時、高度大約為20000km的GPS衛星組成，其型號已由Block l、Block11和
Block 11A發展到Block IIR。其中Block l、Block 11和Block 11A型號衛星共有40顆，
由羅克韋爾公司制造，而20顆Block IIR衛星則由洛克希德馬丁公司制造。由于有的
GPS衛星的服務年限大大超過設計服務年限，所以現在天上通常有多于24顆的GPS衛
星在運轉。GPS空間星載部分的上述配置，保障了地球上及低軌衛星上的任何時間、任
何位置均至少可以同時觀測到4顆衛星(周忠漠等，1995)。

圖2
(2)地面GPS跟蹤網
地面GPS跟蹤網有兩方面的功能：一方面，利用全球分布的GPS跟蹤網或區域GPS
跟蹤網跟蹤到的觀測資料精確確定GPS衛星的軌道和GPS衛星鐘差[4]；另一方面，可
以把星載GPS觀測數據和地面GPS跟蹤網中的觀測值進行差分計算，以消除衛星星歷
誤差及GPS衛星鐘差等誤差，提高定軌精度。對地面GPS跟蹤網的要求是：l)為了達
到好于米級的星載GPS衛星定軌精度，地面GPS跟蹤網至少應有9個點位精度好于
1~2cm的全球分布的GPS基準站組成；2)每個基準站應配備6通道以上的雙頻GPS接
收機及向計算中心發送數據的傳輸設備。地面GPS跟蹤網可全部或部分的利用IGS基
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準站。在采用差分GPS方法進行星載GPS低軌衛星定軌時，為了確保地面差分站與星
載GPS接收機有足夠的共視衛星，可在特定區域增設一些位置精確己知的地面差分站，
以確保低軌衛星在經過該區域上空時的定軌精度[5]。
(3)星載GPS系統
星載GPS系統由低軌衛星星載高動態GPS接收機及向地面發送數據的通訊設備組
成，能夠連續接收GPS偽距和載波相位，并具備把觀測數據傳輸到地面計算中心的能
力。星載GPS系統必須具備以下條件：l)由于低軌衛星飛行姿態的不穩定性及高動態定
位的需要，星載GPS接收機必須至少能同時接收6顆GPS衛星信號并保證有足夠的信
號電平。接收機天線應能半球覆蓋，以保證180的視角，天線的安置位置應盡可能減少
來自衛星本身的反射波引起的多路徑效應的影響；2)由于低軌衛星的高速運行特性，星
載GPS接收機應具有多普勒頻移補償良好的載波跟蹤環路，以確保在高動態環境下對
GPS衛星信號的捕捉及跟蹤[6]；3)最好具有雙頻P碼和載波相位觀測數據的每秒一次
乃至幾十次的密集數據采集能力；4)星載計算設備具有足夠的數據記錄容量及預處理功
能，能定期的將數據傳至地面計算中心。
(4)地面數據處理中心
地面數據處理中心負責數據的收集與處理，它的主要職能是：1)收集GPS跟蹤網及
星載GPS定軌系統的觀測數據，對數據進行預處理、分析、改正和削弱各種誤差的影
響；2)利用地面跟蹤網的GPS觀測數據求得GPS衛星的精密軌道及精密衛星鐘差；3)
在SA/AS政策實施時，采用差分方法以消除GPS衛星鐘差的影響，或用地面GPS跟蹤
網的數據求出GPS衛星接收機鐘差；4)利用星載GPS系統的觀測數據，進行低軌衛星
的事后精密定軌；5)在GPS衛星信號失鎖時，采用與地面SLR等跟蹤網的觀測數據的
聯合定軌方法，以保證高精度定軌的連續性。
星載GPS低軌衛星定軌的基本方法
星載GPS低軌衛星定軌有多種方案，用戶可以根據不同的需要采用不同的定軌方
案。依據不同的分類標準，星載GPS低軌衛星定軌方法可作如下劃分:根據獲取定軌結
果的時間，星載GPS定軌方法可分為實時定軌和非實時定軌兩種。
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實時定軌指根據星載GPS接收機觀測到的數據，實時地解算出觀測歷元低軌衛星的
三維位置的定軌方法。這種方法一般是基于偽距的絕對單點定位，其優點是可以實時獲
得定軌結果，無須儲存觀測數據，因而相對簡單;缺點就是精度較低，且地面與低軌衛
星的實時數據通訊較困難。
非實時定軌又稱事后處理精密定軌，它是對星載GPS接收機接收到的數據進行事后
處理以獲得低軌衛星的精密軌道的定軌方法。其突出優點是可以對觀測數據進行詳細分
析處理，易于發愛新覺羅顯玗現和剔除數據中的粗差，可以采用精密星歷，并可以和其它定軌方法相
結合，因而定軌精度較高，所以，如果不是必須實時的獲得低軌衛星的軌道，一般采用
后處理定軌方法。根據相應的GPS定位模式，星載GPS定軌方法可分為絕對定軌和相
對定軌兩種。
星載GPS的絕對定軌就是利用星載GPS接收機所接收到的測碼偽距和相位觀測數
據(至少跟蹤4顆GPS衛星)，對低軌衛星進行絕對單點定位的定軌方法。由于偽距觀測
精度較低，因而這種定軌方法精度不高，但這種定軌方法簡單易行，可以為精密定軌提
供初始位置[7]。
相對定軌又稱為差分定軌，常由星載GPS接收機和地面基準站上GPS接收機形成
動態基線，然后由地面已知基準站坐標求得星載GPS接收機三維位置。這種方法又分
為偽距相對定軌和載波相位相對定軌兩種。同絕對定軌相比，星載GPS與位置精確己
知的地面基準站之形容下雨的句子間形成差分后，可以消除GPS衛星鐘差、接收機鐘差和星歷誤差等
誤差，并可以削弱電離層誤差等，因而精度較高。這種定軌方法的缺點是:在差分時，
由于GPS共視的要求，使得觀測值的數目減少，且使得觀測值之間相關，在用載波相
位差分時，還要考慮周跳探測及整周相位模糊度的解算問題。
根據是否采用低軌衛星所受力的力學模型及與力學模型的關系，星載GPS定軌方法
可以分為有純幾何法、動力學法和綜合法三種[8]。
純幾何法定軌是指不依賴任何力學模型、完全由星載GPS跟蹤數據和地面GPS跟
蹤網獲得的跟蹤數據對低軌衛星定軌的方法。幾何法得到的軌道是一組離散的幾何點
位，連續的軌道解可以通過擬合或內插的方法來得到。幾何法定軌的最大特點就是不受
低軌衛星的動力學模型的影響，因此定軌結果較穩定，并不像動力學定軌的結果那樣隨
低軌衛星的高度的降低而急劇下降。影響幾何法定軌的主要因素是偽距觀測值的精度、
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星載GPS接收機觀測到的GPS衛星的幾何分布、接收到GPS衛星信號的連續性及穩定
性等。另外，由于幾何法不涉及衛星運動的動力學性質，因此這種方法的外推精度很差。
動力學法，即傳統意義上的定軌方法。和基于SLR、DORIS等觀測技術的動力學法
相類似，基于GPS觀測值的動力學定軌法原理是：先用加載在低軌衛星上的力學模型
及描述低軌衛星的物理模型等，計算出低軌衛星的參考軌道，然后使動力法獲得的軌道
解和GPS跟蹤數據達到某種意義上(一般是最小二乘)的最佳擬合，以獲得較為正確的低
軌衛星的位置和速度向量。這種方法還同時估計其它一些參數以改善參考軌道和GPS
跟蹤數據的擬合(Perosanz,1997;hutz,1994:季善標等，2000)。同其它力學方法相比，基
于GPS跟蹤數據的觀測值相對較多，觀測是全天候的，且每一歷元觀測值能提供低軌
衛星的三維位置。但由于用到ie游覽器了低軌衛星的力學模型，其定軌精度易受力學模型的精度
的影響。
約化法定軌就是將動力學法和幾何法有機結合起來的一種定軌方法，最簡單的一種
方法就是將幾何法取得的衛星的位置矢量作為觀測量進行軌道確定[9]。為了解決動力
學定軌中動力學模型誤差及幾何法定軌中受幾何形狀限制等的問題，美國噴氣動力試驗
室的Yunck等科學家提出了將動力學法與幾何法聯合起來的較為實用的綜合法定軌法。
該方法充分吸收了GPS幾何定軌法和動力學法的優點，用卡爾曼濾波形式，同時顧及
低軌衛星的動力學狀態信息以及GPS幾何法定軌信息，通過適當調整這兩類信息的權，
達到改善定軌精度的目的(D Svehia et
al,2001,2002;Visr,2000;Yunck,1986,1994:Wu,1990,1991)。因此，約化定軌法定軌精度要
優于(或相當于)幾何法和動力學定軌精度。
從對星載GPS低軌衛星定軌方法的分類來看，基于低軌衛星星載GPS觀測值的低
軌衛星定軌方案有多種，每一種方案各有自己的優缺點，其難易程度及要解決的關鍵問
題也各不相同，在實際定軌中，應根據實際情況和定軌精度的要求，合理選擇定軌方案。
其中純幾何法定軌方案由于完全不涉及低軌衛星的動力模型，其定軌精度不受低軌衛星
較低軌道的影響且方法簡單易行。
參考文獻
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