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      GEO廣播星歷參數(shù)設(shè)計的無奇點根數(shù)法

      2014-06-27 05:47:41張中凱周佩元
      測繪學(xué)報 2014年5期
      關(guān)鍵詞:根數(shù)奇點時段

      張中凱,杜 蘭,劉 利,何 峰,路 余,周佩元

      1.信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標工程學(xué)院,河南鄭州 450001;2.北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心,北京 100094

      GEO廣播星歷參數(shù)設(shè)計的無奇點根數(shù)法

      張中凱1,杜 蘭1,劉 利2,何 峰2,路 余1,周佩元1

      1.信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標工程學(xué)院,河南鄭州 450001;2.北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心,北京 100094

      北斗導(dǎo)航星座的GEO廣播星歷格式與MEO和IGSO的格式一致,但是GEO星歷參數(shù)擬合和用戶GEO衛(wèi)星位置計算均需要引進人為設(shè)置的5°傾角旋轉(zhuǎn)。從第二類無奇點根數(shù)出發(fā),對標準廣播星歷的軌道及其攝動表征進行改造,提出一套專用于GEO衛(wèi)星的16參數(shù)星歷表示法,并推導(dǎo)了相應(yīng)的用戶衛(wèi)星位置計算公式。擬合試驗表明,在非地影期間,2 h和3 h星歷擬合的用戶距離誤差(URE)的均方根分別優(yōu)于0.05 m和0.1 m。

      GEO衛(wèi)星;廣播星歷參數(shù);無奇點根數(shù);攝動;用戶距離誤差

      1 引 言

      為了提供導(dǎo)航、定位和定時服務(wù),精密的預(yù)報軌道和星鐘鐘差序列需要參數(shù)化即擬合出星歷參數(shù)和鐘參數(shù)并形成導(dǎo)航電文發(fā)播給用戶[1-3]。在目前的幾種GNSS星座中,北斗二期采用了GEO/IGSO/MEO的混合星座,因此從方便用戶的角度出發(fā),應(yīng)盡量發(fā)播一致的星歷和星鐘格式。由于鐘參數(shù)統(tǒng)一采用低階多項式模型,更多的設(shè)計工作則集中在星歷模型上[4-5]。

      北斗采用類GPS的廣播星歷形式。這種星歷能夠描述3類軌道的短期變化特性,但是GEO衛(wèi)星的直接星歷擬合存在奇點問題,影響擬合精度甚至導(dǎo)致擬合失敗[6]。目前GEO衛(wèi)星的星歷擬合采用人為旋轉(zhuǎn)5°傾角的策略,即擬合得到的是接近5°傾角的IGSO衛(wèi)星結(jié)果,一旦擬合出這種“偽GEO”的星歷參數(shù)并發(fā)播給用戶,用戶計算衛(wèi)星位置時還需要反向旋轉(zhuǎn)5°傾角以恢復(fù)GEO軌道的正確定向[7-10]。因此從完整流程來看, GEO的星歷模型與IGSO和MEO并非完全一致。此外,研究表明,這種偽GEO的星歷擬合仍具有一定程度的奇點問題,且擬合時段不能少于4小時[11]。

      針對小偏心率和小傾角的GEO衛(wèi)星軌道,通常有兩種專用的軌道根數(shù)描述方法,即同步根數(shù)和第二類無奇點根數(shù)[12-13]。文獻[14]給出了基于同步根數(shù)的GEO衛(wèi)星星歷擬合參數(shù)設(shè)計,由于參數(shù)設(shè)計中顧及了衛(wèi)星星下點東西漂移律的影響,擬合算法的穩(wěn)定性和擬合精度均能夠得到大幅提高。但是,同步根數(shù)通常描述GEO在地固系下的運動特性,且設(shè)計的17參數(shù)星歷與現(xiàn)行的類GPS的廣播星歷個數(shù)不同,因而影響了其通用性。

      本文提出一組針對GEO衛(wèi)星的16參數(shù)廣播星歷。首先,星歷參數(shù)基于第二類無奇點根數(shù),能夠同時消除小偏心率和小傾角引起的數(shù)學(xué)奇異;其次,參數(shù)擬合的數(shù)據(jù)時段可縮短至2 h,從而減弱星下點東西漂移對半長軸的長期累積影響。采用定點在84°E附近的某GEO衛(wèi)星的模擬星歷數(shù)據(jù),通過星歷擬合和衛(wèi)星位置計算驗證了新的廣播星歷模型,分析了包含部分地影期的10 d共計258組星歷參數(shù)。非地影期的擬合結(jié)果表明, 2 h的擬合用戶距離誤差(URE)精度優(yōu)于0.05 m。

      2 新的GEO廣播星歷

      衛(wèi)星在慣性系下的軌道運動描述常采用3種軌道根數(shù),即開普勒根數(shù)、第一和第二類無奇點根數(shù)[15]。其中,第二類無奇點根數(shù)是專用于描述小偏心率和小傾角軌道及其軌道變化的無奇點根數(shù),并已長期用于GEO衛(wèi)星的軌道描述,如計算GEO定點機動的控制參數(shù)等[12]。因此,第二類無奇點根數(shù)同樣適用于GEO衛(wèi)星廣播星歷的參數(shù)設(shè)計。

      2.1 第二類無奇點根數(shù)

      經(jīng)典開普勒根數(shù)(a,e,i,Ω,ω,M)分別表示軌道半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近點角距和平近點角。

      令第二類無奇點根數(shù)表示為(a,e,i,M?),其與經(jīng)典開普勒根數(shù)的關(guān)系為[15]

      與3類近點角類似,可分別定義與平經(jīng)度M?相對應(yīng)的真經(jīng)度f?和偏經(jīng)度E?

      式中,f和E分別為真近點角和偏近點角。

      2.2 星歷參數(shù)設(shè)計

      在各種攝動力作用下,軌道的變化對應(yīng)了軌道根數(shù)的攝動。通常軌道根數(shù)的變化依據(jù)時變特性分為3類:長期項、長周期項和短周期項。經(jīng)典的軌道分析能夠給出軌道根數(shù)的一階解析解和部分二階解析解[15],但是其公式過于復(fù)雜,并不適用于描述數(shù)小時內(nèi)的軌道變化。

      GPS標準星歷利用16個參數(shù)對短期軌道變化進行參數(shù)化表達(見表1)。針對數(shù)小時內(nèi)軌道根數(shù)的3類變化,其處理方法為:①將長期項和長周期項合并為長期項,且保留為根數(shù)的變率形式;②將根數(shù)的各種短周期項影響分別投影到徑向、沿跡向和軌道外法向上(RTN),且保留綜合后的主項。如此,既可以用有限數(shù)量的參數(shù)表征主要的軌道變化,同時用戶仍能夠采用簡便的解析公式計算衛(wèi)星的受攝位置向量[16]。

      在設(shè)計GEO星歷參數(shù)時,針對第二類無奇點根數(shù)表示法進行相應(yīng)修改,可以得到16參數(shù)的GEO廣播星歷表示法,即

      式中,toe為星歷參考時刻;為軌道半長軸的均方根;ex、ey為偏心率向量的二維分量;ix0、iy0為傾角向量的二維分量;M為平經(jīng)度;Δn為平均角速度與計算值的偏差;ixdot、iydot為傾角向量的二維變率;Crc、Crs為地心距的短周期改正項系數(shù);Cλc、Cλs為真經(jīng)度的短周期改正項系數(shù);CNc、CNs為法向距離的短周期改正項系數(shù)。

      表1列出了新設(shè)計的GEO星歷與現(xiàn)用的類GPS標準星歷的對比關(guān)系。兩者最大的區(qū)別即為軌道根數(shù)的選取不同,前者采用第二類無奇點根數(shù),后者為開普勒根數(shù)。因此,在設(shè)計參數(shù)中:①軌道面在地心慣性系(ECI)下的空間定向及其變率,取代常規(guī)的傾角和升交點赤經(jīng)i(,Ω)及其變率,采用傾角向量i=i[xiy]T及其變率表征;②沿跡方向的軌道運動快變量,則是取代了幅角u=ω+f,而采用真經(jīng)度f?=Ω+u表征。

      表1 兩種GEO星歷的對比Tab.1 Comparisons between the two types of GEO ephemerides

      2.3 GEO衛(wèi)星的星歷計算

      在軌道上新建一個擬春分點,使得擬春分點至升交點的角距為Ω。定義軌道坐標系O—PQW:原點O為地球質(zhì)心,OP軸指向擬春分點方向,OW軸沿軌道角動量方向,OQ軸由右手法則確定。

      令θg0為歷元時刻toe的Greenwich平恒星時,由歷元時刻的星歷參數(shù)可以計算t時刻衛(wèi)星的地心地固坐標系(ECEF)下的位置向量。其流程如下:

      (1)計算半長軸和平均運動速度

      式中,μ是地球引力常數(shù)。

      (2)計算t時刻的平經(jīng)度、偏經(jīng)度和真經(jīng)度

      3 擬合試驗和分析

      令GEO衛(wèi)星定點在84°E附近,生成星歷數(shù)據(jù)的力模型為10階次地球引力場、日月引力攝動、光壓、地球固體潮和海潮,采用IERS發(fā)布的地球定向參數(shù)。由于GEO衛(wèi)星有頻繁的定點機動控制,這里僅給出10 d的地固系位置向量序列。此外,GEO衛(wèi)星每年有2次地影季,分別在春分日和秋分日附近,每次持續(xù)46 d[13];為了同時分析GEO衛(wèi)星在地影季的星歷擬合,仿真從2012-04-06-12:00開始,衛(wèi)星在前7 d處于地影季,期間每天有約1 h弧段位于地影內(nèi)(稱為地影期)。當擬合時段同時包含有進出地影數(shù)據(jù)時,由于光壓的間斷性影響了軌道數(shù)據(jù)的平滑性,會降低擬合效果。

      為適應(yīng)每小時的星歷更新模式,將10 d數(shù)據(jù)逐小時分割為258組,每組分別包含2/3/4 h的時段,時段內(nèi)數(shù)據(jù)點間隔300 s。星歷參數(shù)解算采用最小二乘擬合,當前后兩次擬合的殘差均方差(RMS)的相對偏差小于0.001時,迭代結(jié)束[17-18]。

      此時,第一組擬合參數(shù)的初值可全部取為0,后續(xù)組的參數(shù)初值則分別采用其前一組的擬合結(jié)果。這里,星歷數(shù)據(jù)將作為軌道位置真值,用于評定擬合星歷和擬合URE的精度。

      2/3/4 h的星歷擬合的成功率均為100%,除首組擬合迭代次數(shù)為5,其余組均穩(wěn)定為4次迭代。

      3.1 軌道擬合精度

      令衛(wèi)星徑向、沿跡和外法向位置分量誤差分別為ΔR、ΔT和ΔN,圖1給出了3種擬合時段條件下擬合殘差的RMS統(tǒng)計結(jié)果。

      圖1 擬合時長對擬合殘差RMS的影響Fig.1 RMS of fit residuals vs.the length of fit arcs

      (1)在常規(guī)的非地影期(圖1(a)),N分量的擬合誤差RMS的平均值最小,且?guī)缀醪皇軘M合時長影響,保持在毫米級精度;T和R位置分量的擬合誤差隨擬合時段的增加快速增大,4 h擬合的分量誤差分別達到0.7 m和0.2 m,因此,擬合時段應(yīng)控制在2~3 h為宜。

      (2)在特殊的地影期(圖1(b)),三分量的擬合誤差RMS的最大值隨擬合時段的變化與非地影期較一致。但是,進出地影導(dǎo)致光壓間斷,不連續(xù)的力模型影響到星歷數(shù)據(jù)的平滑性,從而引起較大的擬合誤差。3 h擬合的T和R位置分量誤差最大值分別超過0.5 m和0.1 m,此時,擬合時段應(yīng)進一步控制在2 h以內(nèi)。

      3.2 擬合參數(shù)的軌道表征

      圖2列出了2 h擬合的部分軌道參數(shù)的時間序列。圖2(a)中的偏心率和軌道傾角由相關(guān)擬合參數(shù)計算得到。令T為衛(wèi)星軌道周期,其中軌道傾角序列變化平穩(wěn),而偏心率由于沒有設(shè)計相應(yīng)的半軌道周期T/2的短周期項改正參數(shù),其序列表現(xiàn)出T/2(近12 h)短周期項改正參數(shù),其序列表現(xiàn)出T/2的主周期變化。

      圖2(b)分別列出了半長軸、平均角速度和定點經(jīng)度與其參考值或計算值的擬合偏差序列。由于半長軸的T/2主周期項已由向徑方向的短周期參數(shù)吸收,半長軸偏差Δa時序表現(xiàn)出T/3(近8 h)的次周期變化[11],且振幅達到500 m。根據(jù)開普勒第三定律,Δn與Δa具有線性負相關(guān)性,兩者的時序變化也呈現(xiàn)出該規(guī)律性。此外,注意到定點經(jīng)度在10 d內(nèi)向西漂移了約0.1°,同時軌道半長軸表現(xiàn)了一致的增大趨勢,即軌道逐漸升高。事實上,在16參數(shù)的星歷設(shè)計中,半長軸僅有短周期攝動變化,并未考慮其長期變化[14,19],因此,縮短擬合時段可以控制半長軸長期變化的累積效應(yīng),改善軌道的短期變化表征能力,這也是圖1中2 h擬合優(yōu)于3 h和4 h擬合的主要原因。

      圖2(c)給出了二維傾角向量的變率序列。注意到前7 d均有1次跳躍現(xiàn)象,且相隔1 d,這是進出地影的數(shù)據(jù)對相關(guān)時段擬合結(jié)果的影響。需要指出的是,衛(wèi)星地影導(dǎo)致的光壓間斷,原本應(yīng)該主要影響軌道面內(nèi)的擬合參數(shù)及其變率,但是由于攝動參數(shù)個數(shù)限制,不恰當?shù)胤从吃谲壍烂娴目臻g定向元素變率中,這也表明現(xiàn)有的星歷參數(shù)選取仍有改進的余地。

      3.3 擬合URE精度

      URE是計算星歷和鐘差誤差對定位影響的一個重要評價指標[1,20]。URE的來源主要是外推的軌道和鐘差誤差,此外還包括星歷參數(shù)擬合和鐘參數(shù)擬合的擬合誤差。這里僅分析星歷參數(shù)擬合的單項影響,故稱為擬合URE。計算公式為

      圖2 2 h擬合得到的部分軌道參數(shù)時序Fig.2 Time series of some orbital elements from 2 h fit

      顯然,徑向擬合誤差ΔR對URE貢獻最大,其他兩方向分量誤差的影響因子要小得多。為便于比較,對于同組的2/3/4 h擬合結(jié)果,URE的統(tǒng)計計算均采用時段中間2 h,即同一參考歷元前后各1 h的擬合殘差。

      表2為3種擬合時段條件下擬合URE的 RMS統(tǒng)計。顯然,擬合時段越短,擬合URE精度越高;2/3/4 h擬合URE的RMS均值分別優(yōu)于1 cm、5 cm和0.1 m。此外,包含進/出地影時段的擬合URE的精度有明顯降低。與非地影期的最大RMS值相比較,地影期2/3/4 h擬合的相應(yīng)結(jié)果分別放大約4倍、2倍和1.5倍。

      表2 擬合URE的RMS統(tǒng)計Tab.2 RMSstatistics of the fit URE m

      地影季期間,GEO衛(wèi)星每天進出地影的時刻變化不大,且在影持續(xù)時間最長可達72 min[19],因此有可能影響到相鄰的1~3組擬合時段。圖3是2 h擬合URE的RMS時序。在擬合結(jié)果的前7 d,一致出現(xiàn)了1~2次較大擬合偏差,且相隔1 d。因此,對于地影期星歷擬合,應(yīng)適當減小擬合時長以滿足精度需求。

      圖3 2 h擬合URE的RMS時序Fig.3 RMS time series of the fitting URE of 2 h fit

      4 結(jié) 論

      現(xiàn)有的GEO衛(wèi)星廣播星歷,保持了與MEO/ IGSO一致的發(fā)播參數(shù)格式,但是其星歷參數(shù)的擬合算法和用戶衛(wèi)星位置計算,均需要旋轉(zhuǎn)一定的軌道傾角。

      針對GEO軌道特性,提出基于第二類無奇點根數(shù)的16參數(shù)GEO廣播星歷及用戶衛(wèi)星位置計算方法。與現(xiàn)有星歷模型相比,參數(shù)個數(shù)相同,衛(wèi)星的ECEF位置向量計算量相當,但是具有無奇點和擬合精度高的優(yōu)點。此外,擬合初值的設(shè)置簡單,擬合算法與用戶算法均無需引入軌道傾角的人為旋轉(zhuǎn)。

      擬合試驗結(jié)果表明,新的16參數(shù)設(shè)計更適合描述2 h內(nèi)的定點運動。在非地影期間,2 h和3 h星歷擬合的擬合URE精度分別優(yōu)于0.05 m和0.1 m。此外,為降低跨地影數(shù)據(jù)的影響,也應(yīng)適當縮短擬合時段。

      為進一步提高星歷擬合精度,并且與GPS的增強型18參數(shù)廣播星歷相匹配,也已設(shè)計了配套的基于第二類無奇點根數(shù)的18參數(shù)GEO廣播星歷及用戶衛(wèi)星位置計算方法將另文討論。

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      (責任編輯:叢樹平)

      Parameter Design of GEO Broadcast Ephemeris Based on the Nonsingular Orbital Elements

      ZHANG Zhongkai1,DU Lan1,LIU Li2,HE Feng2,LU Yu1,ZHOU Peiyuan1
      1.College of Navigation&Aerospace Engineering,Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China; 2.Beijing Global Information Application and Development Center,Beijing 100094,China

      The currently used broadcast ephemerides of GEOs are same with those of MEOs and IGSOs in the BeiDou navigation constellation.However,a trade-off strategy,i.e.an orbital inclination of 5°rotation, is needed in the fitting algorithm to solve the ephemeris parameters as well as the user satellite position computation for GEOs.Based on the standard broadcast ephemerides,the representations of both the orbit and its perturbation were revised according to the second class of nonsingular orbital elements.A 16-parameter broadcast ephemeris was presented specifically for GEOs.The user satellite position computation formulas were derived correspondingly.Fit simulations show that the root of mean squares(RMS)of user range error(URE)with 2 h and 3 h data set are better than 0.05 m and 0.1 m,respectively.

      GEO satellites;broadcast ephemeris parameters;nonsingular orbital elements;perturbation; user range error(URE)

      ZHANG Zhongkai(1989—),male,postgraduate,majors in orbital dynamics and satellite navigation.E-mail:zzk.caesar@gmail.com

      DU Lan

      P228

      A

      1001-1595(2014)05-0452-06

      國家自然科學(xué)基金(41174025;41174026);上海市空間導(dǎo)航與定位技術(shù)重點實驗室開放課題(0901);中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室開放基金(2012PNTT07)

      2013-09-08

      張中凱(1989—),男,碩士生,研究方向為軌道力學(xué)與衛(wèi)星導(dǎo)航。

      杜蘭

      E-mail:lan.du09@gmail.com

      ZHANG Zhongkai,DU Lan,LIU Li,et al.Parameter Design of GEO Broadcast Ephemeris Based on the Nonsingular Orbital Elements[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(5):452-457.(張中凱,杜蘭,劉利,等.GEO廣播星歷參數(shù)設(shè)計的無奇點根數(shù)法[J].測繪學(xué)報,2014,43(5):452-457.)

      10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0076

      修回日期:2013-12-09

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