一种中低轨卫星的精密定轨系统及其实现方法技术方案

一种中低轨卫星的精密定轨系统及其实现方法，系利用Ｇａｌｉｌｅｏ定位系统、卫星激光测距技术和卫星通信技术组合的精密定轨新方法，优化了空天地定轨系统的布局，实现自带激光反射镜中低轨卫星的高精度定轨。考虑到Ｇａｌｉｌｅｏ系统自身的优越性，结合卫星激光测距技术的高精度特点，可以大大提高对中低轨卫星的测量或定轨精度，实现中低轨卫星定轨精度稳定在厘米级，趋于毫米级。将有效提高在轨卫星运行的控制与预测水平，为载人航天的安全保障、空间站的运行管理、空间飞行器的对接与协同作业提供坚实的技术保障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自带激光反射镜中低轨卫星精密定轨的系统和方法，具体地说，是一种通过Galileo定位系统、卫星激光测距和Galileo接收机研制技术，建成的中低轨卫星高精度定轨的新型系统，是一种有效解决卫星精密定轨的新方法。
技术介绍
高精度轨道是对卫星有效控制的基础。我国航天事业的快速发展，对卫星轨道确定、预报和控制计算精度提出了更高的要求。充分利用卫星资源进行科学研究，首先必须提高中低轨道卫星的定轨精度，要求其径向定轨精度达到10cm，而传统定轨方法则难以满足中低轨道卫星高精度定轨要求，必须寻找更可靠、更精确的新的定轨方法。卫星定轨技术的方法有很多，传统的卫星定轨大多采用卫星激光测距(SLR)、精密测距测速(PRARE)、多普勒定轨和无线电定位(DORIS)等。对轨道比较低的测地卫星，由于受地球引力场的影响比较大，大气助力干扰严重，采用传统定轨方法得到的卫星轨道精度比较低。随着GPS观测技术的出现，使得利用星载GPS观测技术进行卫星轨道确定成为卫星精密定轨的一个有效手段。欧盟的Galileo预计在2008年后运行，中国是主要加盟国，将享有所有的高精度定位导航等服务。Galileo系统自身而言，轨道位置比GPS高、轨道面少、时间信号精度达到100纳秒，这就显得在其应用上更具优势。因此，Galileo系统的发布是改善利用GPS观测技术的大好时机。在应用激光测距技术的基础上对卫星精密定轨，其稳定度、精确性和安全性更好。激光测距系统的基本工作原理是通过测量发射激光和接收激光回波的时间差得到期间光走过的距离，进而得到距离值。卫星激光测距技术(SLR)技术受到本身地面站分布和观测时间的限制，虽然不具有时间和空间分辨率方面的优势，但由于它的精度高，确定卫星位置的可靠性好。因此，它是卫星定轨，特别是卫星运行初期定轨的一种极为重要的技术手段。SLR单次测距精度已达亚厘米级，正在向第四代(毫米级)激光测距发展。它已成为卫星精密定位观测的主要辅助手段之一，也是现在各种定位观测手段中单点采样精度最高的一种。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有实现技术的不足和提高中低轨卫星的定轨精度。在自带激光反射镜的中低轨卫星上安装Galileo系统接收机，接收来自Galileo卫星发射的无线电信号的多普勒频移、伪距和载波相位，来进行卫星初次定轨。同时，在地面测试点安装卫星激光测距仪和Galileo系统接收机，采用卫星激光测距技术和Galileo系统地面定位技术来对中低轨卫星进行校准与二次精密定位。本专利技术将结合Galileo系统的定位技术、Galileo接收机的研制、激光测距技术和星间通信的研究基础，将利用Galileo系统来实现中低轨卫星精密定轨，力争定轨精度稳定在厘米级。利用Galileo系统进行中低轨卫星精密定轨的方法可分为(1)几何法，就是利用星载Galileo系统接收机所接收的多普勒、伪距和载波相位观测数据进行定位计算，从而给出接收机的位置(即相应中低轨卫星的位置)。初次得到的轨道是一组离散的点位，连续的轨道必须通过拟合方法给出。几何法定轨有一个很大的特点是不受力学模型误差的影响，特别对低轨卫星来说不受大气阻力模型误差的影响，对中低轨道卫星更具优势。影响几何法测轨精度的主要因素是伪距观测值的精度、Galileo系统卫星星座的构成和Galileo系统卫星信号的连续性、稳定性，而在这些方面Galileo系统具有比GPS系统更好的性能。(2)动力法，即是传统意义上的定轨方法，可以利用星载Galileo系统的位置观测、伪距观测和相位观测以及对应的观测模型，给出一种有别于其它观测手段所提供的测量方程，来进行精密定轨。(3)几何动力法是将几何法与动力法有机结合起来的一种定轨方法，最简单的一种方式就是将几何法取得的卫星位置矢量作为观测量进行轨道确定。该方法通过增加过程噪声将几何信息引入到力学模型中，并通过参数调节使得轨道确定过程在动力法到几何法之间变化。卫星激光测距数据处理涉及卫星的状态(位置和速度)、观测站在空间的位置以及激光在大气中的传播。卫星激光测距数据处理的目的是从观测的距离数据中提取关心的信息，如卫星的精确状态(精密定轨)、影响卫星运动的力学模型中的参数、测站的精确位置、影响测站位置描述的地球自转参数等。必须要认识到一颗卫星入轨后，为了跟踪和应用这颗卫星必须始终掌握此颗卫星的状态量。首先，利用大量高精度的观测资料确定某一时刻轨道量(精密定轨)。其次，以已确定的轨道量为初值进行运动方程的高精度数值积分而得到下一时刻的轨道理论值。第三，用轨道理论值作精密预报后进行观测而得到精密观测资料。有了新的观测资料就可以重复第一步工作来确定对应时刻的轨道，以此下去，才可以掌握这颗卫星的轨道状况，达到精密定轨。本专利技术的创新点(1)采用高精度Galileo系统的定位技术作为中低轨道卫星精密定轨的星间定位基准。(2)将SLR技术与Galileo系统组合，对空天地一体化测量技术进行无缝衔接。(3)将星载多普勒定轨定位系统(DORIS)的定轨理念延伸到本专利技术提出的中低轨卫星精密定轨，在初次定位的基础上进行地面测试点校准和二次精密定位。(4)提出在中低轨道卫星上安装激光反射镜，将有利于激光精密定轨技术的研究与应用。至于在中低轨卫星上安装激光发射镜，此技术要求的实现可以参考中国“北斗二代”导航系统的基准星。本专利技术的技术效果1.利用本专利技术对中低轨卫星的定轨精度稳定在厘米级，趋于毫米级。2.本专利技术方法的系统布局简单，地面测试点数量减少到2个，可以兼容GPS系统和GLONASS系统，能实现地面和空间的高精度定位。3.由于Galileo系统的初次定位精度就可控制在分米级，在中低轨的卫星定轨研究方面可以缩短观测周期，有效提高了卫星定位的实时性和稳定度。附图说明图1是本专利技术精密定轨系统的结构示意图。图2是本专利技术精密定轨方法的实现框图。具体实施例方式先请参阅图1，图1是本专利技术精密定轨系统的结构示意图。一个基于Galileo定位系统与卫星激光测距的中低轨卫星精密定轨系统，包括运行的Galileo系统(图1中只列举了其中的卫星A(1)和卫星B(2))、自带激光反射镜的中低轨卫星(3)及其星载Galileo接收机(6)、地面测试点的卫星激光测距仪A(4)及其Galileo接收机A(7)、卫星激光测距仪B(5)及其Galileo接收机B(8)。其中，需要指出欧洲Galileo计划是中高度圆轨道(MEO)方案，该系统将由30颗中高度圆轨道卫星和2个地面控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。预计伽利略系统于2008年建成，将为欧洲公路、铁路、空中和海洋运输、欧洲共同防务甚至是徒步旅行者有保障地提供精度为1米的定位导航服务。系统的工作过程如下(1)任意选择Galileo系统卫星A(1)和B(2)可以实现对中低轨卫星(3)、卫星激光测距仪A(4)与B(5)的定位，定位精度是亚米级。其中，地面测试点卫星激光测距仪A(4)与B(5)的定位是依靠其安装的Galileo接收机A(7)与B(8)实现的；中低轨卫星的轨道定位是依靠其星载Galileo接收机(6)实现的。(2)在地面测试点的卫星激光测距仪A(4)和B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中低轨卫星的精密定轨系统，系基于Ｇａｌｉｌｅｏ定位系统与卫星激光测距，包括将运行的Ｇａｌｉｌｅｏ系统卫星Ａ（１）和卫星Ｂ（２）、一颗自带激光反射镜的中低轨卫星（３）及其星载Ｇａｌｉｌｅｏ接收机（６）、位于地面二个测试点的卫星激光测距仪Ａ（４）及其Ｇａｌｉｌｅｏ接收机Ａ（７）和卫星激光测距仪Ｂ（５）及其Ｇａｌｉｌｅｏ接收机Ｂ（８）；该接收机（６）接收来自Ｇａｌｉｌｅｏ卫星发射的无线电信号的多普勒频移、伪距和载波相位而对卫星（３）进行初次定轨；并由卫星激光测距仪Ａ（４）、Ｂ（５）和接收机Ａ（７）、Ｂ（８）对卫星（３）进行校准与二次精密定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，王建宇，舒嵘，戴宁，马艳华，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]