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。

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<h<2000km
中轨道(MEO)：8000km<h<20000km
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：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)每个基准站应配备6通道以上的双频GPS接收机及向计算中心发送数据的传输设备。

地面GPS跟踪网可全部或部分的利用IGS基准站。

在采用差分GPS方法进行星载GPS低轨卫星定轨时，为了确保地面差分站与星载GPS接收机有足够的共视卫星，可在特定区域增设一些位置精确己知的地面差分站，以确保低轨卫星在经过该区域上空时的定轨精度[5]。

(3)星载GPS系统
星载GPS系统由低轨卫星星载高动态GPS接收机及向地面发送数据的通讯设备组成，能够连续接收GPS伪距和载波相位，并具备把观测数据传输到地面计算中心的能力。

星载GPS系统必须具备以下条件：l)由于低轨卫星飞行姿态的不稳定性及高动态定位的需要，星载GPS接收机必须至少能同时接收6颗GPS 卫星信号并保证有足够的信号电平。

接收机天线应能半球覆盖，以保证180的视角，天线的安置位置应尽可能减少来自卫星本身的反射波引起的多路径效应的影响；2)由于低轨卫星的高速运行特性，星载GPS接收机应具有多普勒频移补偿良好的载波跟踪环路，以确保在高动态环境下对GPS卫星信号的捕捉及跟踪[6]；
3)最好具有双频P码和载波相位观测数据的每秒一次乃至几十次的密集数据采集能力；4)星载计算设备具有足够的数据记录容量及预处理功能，能定期的将数据传至地面计算中心。

(4)地面数据处理中心
地面数据处理中心负责数据的收集与处理，它的主要职能是：1)收集GPS跟踪网及星载GPS定轨系统的观测数据，对数据进行预处理、分析、改正和削弱各种误差的影响；2)利用地面跟踪网的GPS观测数据求得GPS卫星的精密轨道及精密卫星钟差；3)在SA/AS政策实施时，采用差分方法以消除GPS卫星钟差的影响，或用地面GPS跟踪网的数据求出GPS卫星接收机钟差；4)利用星载GPS 系统的观测数据，进行低轨卫星的事后精密定轨；5)在GPS卫星信号失锁时，采用与地面SLR等跟踪网的观测数据的联合定轨方法，以保证高精度定轨的连续性。

星载GPS低轨卫星定轨的基本方法
星载GPS低轨卫星定轨有多种方案，用户可以根据不同的需要采用不同的定轨方案。

依据不同的分类标准，星载GPS低轨卫星定轨方法可作如下划分:根据获取定轨结果的时间，星载GPS定轨方法可分为实时定轨和非实时定轨两种。

实时定轨指根据星载GPS接收机观测到的数据，实时地解算出观测历元低轨卫星的三维位置的定轨方法。

这种方法一般是基于伪距的绝对单点定位，其优点是可以实时获得定轨结果，无须储存观测数据，因而相对简单;缺点就是精度较低，且地面与低轨卫星的实时数据通讯较困难。

非实时定轨又称事后处理精密定轨，它是对星载GPS接收机接收到的数据进行事后处理以获得低轨卫星的精密轨道的定轨方法。

其突出优点是可以对观测数据进行详细分析处理，易于发现和剔除数据中的粗差，可以采用精密星历，并可以和其它定轨方法相结合，因而定轨精度较高，所以，如果不是必须实时的获得低轨卫星的轨道，一般采用后处理定轨方法。

根据相应的GPS定位模式，星载GPS定轨方法可分为绝对定轨和相对定轨两种。

星载GPS的绝对定轨就是利用星载GPS接收机所接收到的测码伪距和相位观测数据(至少跟踪4颗GPS卫星)，对低轨卫星进行绝对单点定位的定轨方法。

由于伪距观测精度较低，因而这种定轨方法精度不高，但这种定轨方法简单易行，可以为精密定轨提供初始位置[7]。

相对定轨又称为差分定轨，常由星载GPS接收机和地面基准站上GPS接收机形成动态基线，然后由地面已知基准站坐标求得星载GPS接收机三维位置。

这种方法又分为伪距相对定轨和载波相位相对定轨两种。

同绝对定轨相比，星载GPS与位置精确己知的地面基准站之间形成差分后，可以消除GPS卫星钟差、接收机钟差和星历误差等误差，并可以削弱电离层误差等，因而精度较高。

这种定轨方法的缺点是:在差分时，由于GPS共视的要求，使得观测值的数目减少，且使得观测值之间相关，在用载波相位差分时，还要考虑周跳探测及整周相位模糊度的解算问题。

根据是否采用低轨卫星所受力的力学模型及与力学模型的关系，星载GPS 定轨方法可以分为有纯几何法、动力学法和综合法三种[8]。

纯几何法定轨是指不依赖任何力学模型、完全由星载GPS跟踪数据和地面GPS跟踪网获得的跟踪数据对低轨卫星定轨的方法。

几何法得到的轨道是一组离散的几何点位，连续的轨道解可以通过拟合或插的方法来得到。

几何法定轨的最大特点就是不受低轨卫星的动力学模型的影响，因此定轨结果较稳定，并不像动力学定轨的结果那样随低轨卫星的高度的降低而急剧下降。

影响几何法定轨的主要因素是伪距观测值的精度、星载GPS接收机观测到的GPS卫星的几何分布、接收到GPS卫星信号的连续性及稳定性等。

另外，由于几何法不涉及卫星运动的动力学性质，因此这种方法的外推精度很差。

动力学法，即传统意义上的定轨方法。

和基于SLR、DORIS等观测技术的动力学法相类似，基于GPS观测值的动力学定轨法原理是：先用加载在低轨卫星上的力学模型及描述低轨卫星的物理模型等，计算出低轨卫星的参考轨道，然后使动力法获得的轨道解和GPS跟踪数据达到某种意义上(一般是最小二乘)的最佳拟合，以获得较为正确的低轨卫星的位置和速度向量。

这种方法还同时估计其它一些参数以改善参考轨道和GPS跟踪数据的拟合(Perosanz,1997;sehutz,1994:季善标等，2000)。

同其它力学方法相比，基于GPS跟踪数据的观测值相对较多，观测是全天候的，且每一历元观测值能提供低轨卫星的三维位置。

但由于用到了低轨卫星的力学模型，其定轨精度易受力学模型的精度的影响。

约化法定轨就是将动力学法和几何法有机结合起来的一种定轨方法，最简单的一种方法就是将几何法取得的卫星的位置矢量作为观测量进行轨道确定[9]。

为了解决动力学定轨中动力学模型误差及几何法定轨中受几何形状限制等的问题，美国喷气动力试验室的Yunck等科学家提出了将动力学法与几何法联合起来的较为实用的综合法定轨法。

该方法充分吸收了GPS几何定轨法和动力学法的优点，用卡尔曼滤波形式，同时顾及低轨卫星的动力学状态信息以及GPS几何法定轨信息，通过适当调整这两类信息的权，达到改善定轨精度的目的(D Svehia et al,2001,2002;Visser,2000;Yunck,1986,1994:Wu,1990,1991)。

因此，约化定轨法定轨精度要优于(或相当于)几何法和动力学定轨精度。

从对星载GPS低轨卫星定轨方法的分类来看，基于低轨卫星星载GPS观测值的低轨卫星定轨方案有多种，每一种方案各有自己的优缺点，其难易程度及要解决的关键问题也各不相同，在实际定轨中，应根据实际情况和定轨精度的要求，
合理选择定轨方案。

其中纯几何法定轨方案由于完全不涉及低轨卫星的动力模型，其定轨精度不受低轨卫星较低轨道的影响且方法简单易行。

参考文献
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究所，1999.
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[8]. 韩保民．基于星载GPS 的低轨卫星几何法定轨理论研究[D]．：中国科学院测量与地球物理研究所，2003：
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