低轨卫星定轨综述

低轨卫星定轨综述

摘要：

本文首先介绍了卫星轨道的分类标准，随后简述了星载GPS低轨卫星定位系统的体系结构以及星载GPS定轨研究进展。最后重点分析了星载GPS低轨卫星的几种定轨方法

关键词：

低轨卫星定轨GPS接收机几何法运动法约化动力法

卫星运行轨道的分类标准

人造卫星的运行轨道按形状分类可以分为椭圆轨道和圆轨道：

椭圆轨道：偏心率不等于0的卫星轨道，卫星在轨道上做非匀速运动，适合高纬度地区通信。圆轨道：具有相对恒定的运动速度，可以提供较均匀的覆盖特性，适合均匀覆盖的卫星系统

按倾角（卫星轨道平面与赤道平面的夹角，称为卫星轨道平面的倾角）

赤道轨道。i=0︒，轨道面与赤道面重合；静止通信卫星就位于此轨道平面内。

极地轨道。i=90︒，轨道面穿过地球南北极。

倾斜轨道。轨道面倾斜于赤道。根据卫星运动方向和地球自转方向的差别分为顺行倾斜轨道，0︒< i<90︒

逆行倾斜轨道，90︒< i<180︒

图1

按高度分类

根据卫星运行轨道距离地面的高度h，可分为

低轨道(LEO)：500

中轨道(MEO)：8000km

静止/同步轨道(GEO)：h=35786km。

高轨道(HEO)：h>20000km，椭圆轨道，远地点可达40000km

地球同步轨道是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道。但其中有一种十分特殊的轨道，叫地球静止轨道。这种轨道的倾角为零，在地球赤道上空35786千米。地面上的人看来，在这条轨道上运行的卫星是静止不动的。一般通信卫星，广播卫星，气象卫星选用这种轨道比较有利。地球同步轨道有无数条，而地球静止轨道只有一条。

太阳同步轨道是轨道平面绕地球自转轴旋转的，方向与地球公转方向相同，旋转角速度等于地球公转的平均角速度（360度/年）的轨道，它距地球的高度不超过6000千米。在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。

极地轨道是倾角为90度的轨道，在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空，可以俯视整个地球表面。气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星常采用此轨道。

星载GPS定轨研究进展

最早进行星载GPS 低轨卫星定轨研究的是Lockheed Missiles 和Space Division 组织[1]。而真正将GPS 用于卫星定轨的是美国于1982 年发射的地球资源卫星LANDSAT-4[2]。

在T/P 卫星之前，如LANDSAT-4、LANDSAT-5 及远紫外探测器（Extreme Ultraviolet Explorer）所搭载的星载GPS 接收机都是单频接收机，受电离层的影响较大，而且这些卫星的高度都在500 到700 km，受重力场模型误差的影响也比较大，因此，这些卫星的定轨精度都比较低[3]。高精度的星载GPS 定轨能力在后来的T/P 卫星得以证明[4]，T/P 卫星是1992 年美国航空航天局NASA和法国国家空间研究中心CNES(Centre National d'Etudes Spatiales)联合发射的海洋测高卫星，其轨道高度为1336 km，不仅搭载了双频星载GPS 接收机，而且还装载了激光反射器及DORIS 系统。其预期径向精度为13cm，而采用星载GPS 得到的径向定轨精度优于3cm，其精度已相当于或优于采用SLR+DORIS 的定轨精度。

受到T/P 卫星星载GPS 定轨精度的鼓舞，在此之后的几十个低轨卫星/航

天器，如美国1993 年发射的RADCAL 卫星，英国1993 年发射的UTOSAT 微型卫星以及日本1994年发射的OREX 轨道重返试验飞行器，都装载了星载GPS 接收机，此外，还有德国的CHAMP（Challenging Mini-Satellite Payload），阿根廷的SAC-C，美德合作的Microlab，丹麦的Orsted，南非的SUNSAT，法美的JANSON-1，美德合作的GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)，欧空局的GOCE 和台湾的COSMIC 等卫星上，也都装载了GPS 接收机。

星载GPS低轨卫星定位系统的组成

星载GPS低轨卫星定轨的原理是在低轨卫星上装载高动态GPS接收机，利用星载GPS接收机观测到的数据直接解算低轨卫星的瞬时三维位置，或和地面GPS跟踪网观测到的数据进行差分，或和低轨卫星的动力学模型结合，可得到米级、分米级甚至厘米级的实时或近实时的定轨结果(季善标等，2000)。

星载GPS低轨卫星定轨系统的组成都包括GPS空间星座部分、地面GPS跟

踪网、低轨卫星星载GPS系统和地面数据处理中心四个部分(Bertiger et al，1994，季善标等，2000)。星载GPS精密定轨系统POD(Precise Orbit Determination)要求低轨卫星上星载GPS接收机和地面GPS跟踪网中的GPS接收机能连续跟踪所有可视GPS卫星，然后这些GPS观测值都被传输到地面监控和处理中心，一起被用来估计低轨卫星轨道、GPS卫星轨道、接收机和GPS卫星钟差、相位中心偏差及其它一些参数，星载GPS定轨系统构成示意图如图2：

(l)GPS空间星座部分

GPS空间星座部分由24颗等间隔分布在6个轨道面上、轨道倾角为55度、周期约为12小时、高度大约为20000km的GPS卫星组成，其型号已由Block l、Block11和Block 11A发展到Block IIR。其中Block l、Block 11和Block 11A型

号卫星共有40颗，由罗克韦尔公司制造，而20颗Block IIR卫星则由洛克希德

马丁公司制造。由于有的GPS卫星的服务年限大大超过设计服务年限，所以现

在天上通常有多于24颗的GPS卫星在运转。GPS空间星载部分的上述配置，保障了地球上及低轨卫星上的任何时间、任何位置均至少可以同时观测到4颗卫星(周忠漠等，1995)。

图2

(2)地面GPS跟踪网

地面GPS跟踪网有两方面的功能：一方面，利用全球分布的GPS跟踪网或区域GPS跟踪网跟踪到的观测资料精确确定GPS卫星的轨道和GPS卫星钟差[4]；另一方面，可以把星载GPS观测数据和地面GPS跟踪网中的观测值进行差分计算，以消除卫星星历误差及GPS卫星钟差等误差，提高定轨精度。对地面GPS 跟踪网的要求是：l)为了达到好于米级的星载GPS卫星定轨精度，地面GPS跟踪网至少应有9个点位精度好于1~2cm的全球分布的GPS基准站组成；2)每个