模拟分析低低跟踪模式重力卫星反演地球重力场的精度

本文利用卫星重力反演与模拟软件ANGELS系统(ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites)对低低跟踪模式的重力卫星的关键载荷精度指标进行了深入分析.模拟结果表明:(1)对短弧长积分法而言,在低低跟踪模式的关键载荷精度指标中,重力场反演精度对星间距离变率精度最为敏感;(2)通过对目前在轨运行GRACE的载荷指标进行分析,发现轨道数据的误差主要影响重力场的低阶部分(约小于25阶),较高阶次部分(约大于26阶)主要受星间距离变率的误差限制;(3)如果下一代低低跟踪模式的重力卫星的目标之一是把重力异常反演精度较GRACE提高约10倍,则在保持轨道高度和GRACE相同的前提下,轨道、星间距离变率和星载加速度计等关键载荷指标需要达到的最低精度分别约为2cm、10nm·s-1和3.0×10-10 m·s-2;(4)轨道精度和混频误差将是影响下一代低低跟踪模式重力卫星重力场恢复能力进一步提高的主要制约因素,距离变率精度和加速度计精度存在盈余.

我国第二代低低跟踪重力卫星关键载荷精度指标匹配设计

本文分别给出了星间距离变化率误差模型、轨道位置误差模型以及非保守力误差模型，并利用该模型计算得到了我国第二代低低跟踪重力卫星的星载激光干涉测距系统、加速度计和GPS接收机相匹配的三组精度指标。利用三组相匹配的关键载荷精度指标反演得到的地球重力场模型，分别在209阶、275阶和338阶时达到1．8cm的累积大地水准面精度指标。

低低重力卫星KBR和ACC噪声敏感度分析

利用低低卫卫跟踪观测数据所解算的时变重力场是探测分析全球质量变化迁移的重要手段。利用一个月的低低跟踪模式卫星仿真观测数据,分析了星间距离变率误差和加速度计误差对重力场模型解算精度的影响。结果表明:以3×10^(-10)m/s^(2)的加速度计观测误差和5×10^(-7)m/s的距离变率观测误差为基准,当加速度计误差增大一个量级时,截断至120阶次重力异常累积阶误差为3.39mGal;当星间距离变率误差增大一个量级时,截断至120阶次的重力异常累积阶误差为12.39mGal,远大于参考设计指标2mGal。通过比较分析可以说明,星间距离变率误差比加速度计误差对重力场模型精度影响更为敏感,这对低低跟踪体制重力卫星设计、重力卫星下传数据预处理有重要参考意义。

基于轨道扰动引力谱分析的方法确定低低观测重力卫星反演重力场的空间分辨率

基于低低卫-卫跟踪重力卫星的轨道特性,从垂直和水平两个方向计算了重力卫星高空扰动引力,并根据其谱特性及星载加速度的测量噪声水平分析了重力卫星能反演重力场的阶数.利用EGM96重力场模型分别计算了400km、450km和500km轨道高度处重力卫星受到的扰动引力谱及扰动引力谱的平均量级,分析其垂直特性表明:在三个轨道高度处能分别能反演150、140和130阶的重力场模型.利用两颗同轨重力卫星相距220km的特性,计算了400km、450km和500km轨道高度处纬度相差2°的两颗卫星纬向扰动引力差,即扰动引力水平分量,分析其谱特性,表明:重力卫星能反演至117阶的地球重力场模型.

低低卫卫跟踪恢复地球重力场的误差分析

基于卫星轨道的动力学积分法,定量分析了SST-LL模式主要有效载荷测量误差对重力场恢复结果影响的特点及相互关系。结果表明,1μm/s的星间距离变化率误差与10-9m/s2的非保守力测量误差所引起的重力场误差基本相当,不同载荷的测量精度应相互匹配,单独提高某一载荷的精度对改善重力场并无多大意义。

GRACE重力卫星运行管理的参考借鉴

低低跟踪重力卫星在全球重力获取、反演应用等方面有着重要的战略作用,我国已布局相关卫星的研制建设。为确保未来我国自主低低跟踪重力卫星系统的高效稳定运行,重点对GRACE及其后续星组GRACE-FO卫星的组织模式和管理机制进行了系统梳理与总结分析。基于我国重力卫星技术发展研究现状,对未来卫星运行管理模式进行了探讨分析,给出了实用的工程运行管理建议,可为后续卫星运行管理提供参考借鉴。

星间加速度解算模式的模拟与分析

低低卫星跟踪卫星的观测量是两低轨卫星的星间距离或星间速度,星间加速度由星间速度通过数值微分导出,用星间加速度作为观测量可以避免解算卫星运动的变分方程,简化观测方程的建立,但数值微分会使观测噪声放大,从而影响重力位的解算精度.为了定量给出星间加速度观测模式的精度,本文分析并模拟验证了数值微分公式计算星间加速度的精度,导出了基于星间加速度的一般形式的观测方程,模拟计算了基于星间加速度的重力位模型.结果表明,采用星间加速度观测模式的解算精度要明显低于星间速度观测模式的解算精度.

SST-11重力卫星轨道参数指标设计论证

本文结合我国发展卫星重力测量系统的需求，针对如何确定重力卫星轨道参数的技术指标问题，以数值实验为手段，分析并计算了重力卫星轨道高度、卫星星间距离和卫星轨道倾角的设计指标，讨论了两颗重力卫星轨道长半轴的一致性要求、姿态俯仰角的控制要求以及编队保持机动的时间间隔要求。结果表明，我国将来低低跟踪模式中重力卫星的轨道高度应在400～500km之间，星间距离应为220km左右，卫星轨道倾角应该位于极轨和太阳同步轨道之间，双星轨道的长半轴之差需要控制在±70m的范围之内，双星的姿态俯仰角应控制在0．9。左右，双星编队保持机动的时间间隔要求在7一15天之间。

重力测量卫星KBR系统相位中心在轨标定算法

针对低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统相位中心在轨标定问题,提出了一种应用预测卡尔曼滤波算法的KBR系统在轨标定算法。首先,以磁力矩器和姿态控制喷气发动机为执行部件,对一颗卫星施加一定的组合力矩,使其绕另一颗卫星进行周期性姿态机动;然后,将星敏感器数据代入预测卡尔曼滤波算法中估计出卫星姿态;最后,根据KBR系统观测值与卫星姿态角之间的关系,利用扩展卡尔曼滤波算法估计出KBR系统相位中心的位置。数值仿真结果表明:KBR系统相位中心可以被实时估计,当存在较大的卫星姿态动力学模型误差时,KBR系统相位中心的标定误差仍在0.3mrad以内,证明此算法估计精度较高且鲁棒性强。

用GRACE星间速度恢复地球重力场

本文首先给出了用星间速度恢复地球重力场的数学模型,然后用GRACE卫星30天的星间速度观测值计算了一个100阶的地球重力场模型DQM2006S2。为了对这一模型的精度进行评述,将它与EGM 96,EIGEN-CHAMP03S和GGM01S3个地球重力场模型作了比较,并用这一模型计算了高程异常与GPS/水准实际观测值进行了比较,结果表明:DQM2006S2模型精度优于EGM 96和EIGEN-CHAMP03S模型精度,但是不及GGM01S模型精度。精度不及GGM01S的原因是GGM01S模型使用了111天的星间速度数据,其数据量约为DQM2006S2模型使用数据量的4倍。

一种K波段重力场测量天线相位中心在轨标定方法

针对低低跟踪重力测量卫星编队的K波段测量天线相位中心在轨标定问题,分析了编队系统构成以及空间测距K波段天线相位中心远场辐射模型,给出了相位中心在轨标定周期机动设计;采用batch估计理论进行了在轨标定算法设计,同时给出了多组数据条件下的最优融合估计方法,数值分析结果验证了所提出天线相位中心在轨标定算法的有效性.

USO-KBR测距系统建模与仿真

K频段微波测距(KBR)系统是低-低卫星跟踪卫星(SST-LL)重力测量卫星的关键载荷之一,其性能直接影响地球重力场空间变化率的测定结果,而KBR系统中超稳振荡器(USO)的稳定度对KBR系统整体测距精度有着重要影响。文章根据双向测量载波相位对比原理和USO幂率谱模型,对KBR系统进行了建模。首先,描述了测距系统的基本原理、系统功能组成及适用于KBR系统的数学模型;然后,利用Matlab软件对"重力恢复和气候实验"(GRACE)卫星的KBR系统进行了仿真。仿真结果表明,采用该模型和方法后获得的双向测距中误差(RMSE)为9.81μm,与公布的GRACE卫星KBR系统10μm的中误差相符。文章为KBR系统的工程设计提供了仿真分析工具,可为工程应用提供设计参考。

下一代高精度卫星重力测量技术研究

以下一代高精度卫星重力测量为背景,针对低低卫卫跟踪模式与卫星重力梯度测量模式,论述了下一代低低卫卫跟踪和下一代重力梯度测量卫星方案。下一代低低卫卫跟踪重力卫星采用纳米级星间激光测距替代原微波测距,同时降低轨道高度以提高重力场敏感度。下一代重力梯度测量卫星采用原子干涉重力梯度仪替代静电重力梯度仪,原子干涉重力梯度仪在空间有超高的潜在灵敏度,可进一步提高卫星重力梯度测量的精度。同时,突破现有牛顿力学框架下的卫星重力测量技术,提出了基于广义相对论引力钟慢效应的卫星重力测量技术概念,卫星遍历地球周围空间时,通过测量星上时钟频率变化获取全球重力分布。仿真结果表明:三种新型高精度卫星重力测量技术可恢复200~305阶的全球重力场模型。

卫星重力测量系统的发展和测量模式

从地球重力场测量要素出发,按照局部重力场模型、区域重力场模型、全球重力场模型求解的发展思路,分析了对地球重力场测量技术手段的要求。根据高—低卫星跟踪卫星的距离和距离变率开展定轨研究的概念,梳理了卫星跟踪卫星重力测量系统的发展。针对卫星跟踪卫星重力测量技术的内涵,分析了高—低卫星跟踪卫星测量模式(SST-hl)和高—低低卫星跟踪卫星测量模式(SST-hll)的地球重力场测量本质。

重力卫星空间扰动引力谱分析与轨道设计

重力卫星轨道因素对于卫星重力测量系统性能具有决定性作用，因此卫星轨道设计具有重要意义，是卫星重力测量系统设计重要内容之一。空间扰动引力谱特性是重力卫星轨道设计的理论基础，因此在轨道设计前须对空间扰动引力谱特性进行详细研究。本文给出空间引力谱表达式，采用数值方法分析了空间扰动引力谱垂直分布特性和水平分布特性；基于空间引力谱特性、系统指标和加速度计噪声水平设计了重力卫星轨道高度、卫星间距离和卫星倾角几个关键轨道参数。结果表明：重力卫星轨道高度450km、两颗卫星间球心角距2°和轨道倾角90°较为合适。

卫星测量重力场能力仿真分析

卫星重力反演地球重力场的能力受到卫星轨道高度、数据覆盖率、数据空间分辨率、载荷测量精度等因素影响，除此以外，数学模型的完备性、时空基准一致性、算法的精确性等也会限制重力场测量精度。本文从空间扰动重力数据出发，分析轨道高度、数据分辨率、倾角、测量误差等因素影响重力场恢复能力的规律，通过回避模型误差、算法误差、基准统一误差等因素的影响，更好地揭示重力场测量卫星的潜能。结果表明，在轨道高度500km的条件下，基于扰动重力数据反演地球重力场最高阶为200—210。为充分发挥重力测量卫星的效能，根据需求应尽量选择300—400km的轨道，倾角大于88°，空间数据分辨率优于100km。

K频段测距系统星间高精度指向控制算法

为了避免多路径噪声对低低星间跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统测距精度的影响,基于SST-LL重力测量卫星的超静卫星平台,提出了一种磁控制与喷气控制相结合的KBR系统星间高精度指向控制算法。首先,利用喷气执行机构使卫星快速机动到目标姿态角;然后,利用磁力矩器和喷气执行机构对卫星进行联合稳定控制,在满足省电和节省喷气量的条件下,实现长周期、高精度的天线相对指向控制。利用"重力场反演与天气试验"(GRACE)卫星参数进行仿真验证,结果表明:在正常轨道运行模式下,该算法能实现俯仰和偏航方向优于1mrad的控制精度,可为KBR系统在轨高精度测距提供保证。

SST-LL重力测量卫星轨道分析

论述了SST-LL重力测量卫星科学任务对轨道寿命、地面覆盖性能、轨道高度单圈波动、星间距离变化范围的需求。根据需求,计算了轨道的自然衰减情况,得出轨道初始高度为500km;综合考虑地面覆盖要求及运载火箭能力,得出了最佳轨道倾角为89°;得出了0.002 0偏心率下轨道高度波动范围不超过50km;分析得出星间距离的长周期变化主要受大气阻力影响,初步确定了轨道控制方案,即定期对受大气阻力较大的卫星进行轨道机动。

SST-ll重力卫星轨道运动对K波段测距系统的影响

给出了物体作近圆椭圆轨道运动的近似运动学方程,并结合GRACE重力卫星的轨道参数,在没有考虑摄动效应的前提下,计算了双星的距离、相对速度以及双星连线的倾角,并讨论了这些量对K波段测距系统的影响。同时分析表明,2倍轨道频率的效应可望用于K波段测距和测速的在轨性能检验,这对于K波段研究具有一定指导意义。

重力卫星的KBR天线偏心改正计算

本文详细研究了重力卫星偏心改正问题，建立了偏心改正数学模型，并用GRACE卫星数掂验证了该模型的有效性和可靠性。处理3天数据结果表明，利用该模型计算得到的偏心改正与国际公布的参考值比较，标准差在6微米范围内，且各天结果均具有较好的一致性。