第4O卷 第4期 2015年8月 全球定位系统 GNSS World of China Vo1.40,NO.4 August,2015 利用HPOP轨道仿真模型实现 接收机自主历书外推 车通宇 ,杨 力 ,张传定。,闫志闯 ,王 琰 (1.信息工程大学,河南郑州450001;2.北京卫星导航中心,北京100094) 摘 要:提出了一种利用轨道仿真的思路实现接收机自主历书外推的方法。为了实现对 GPS等导航卫星的高精度轨道仿真,需要知道卫星相关的物理参数,但实际中由于保密等条 件很多参数无法获得。本文通过HPOP高精度轨道外推模型,利用控制变量的思路,基 于已知先验信息的统计经验值,通过配置物理参数变量来外推卫星轨道,将其同IGS精密轨 道比较,以分析得出最优的参数组合。分析表明:设置卫星质量为975 kg,太阳能帆板反射系 数为1.0,面质比为0.02005,可以实现对于GPS卫星的高精度轨道仿真;其外推多日的精度 满足仿真应用需要;该方法可以用于接收机自主历书外推。 关键词:HPOP模型;GPS卫星;轨道仿真;历书外推 中图分类号:P228.4 文献标志码:A 文章编号:1008-9268(2015)04—0018—05 SVN+发射序列)、卫星姿态模型、卫星在轨时间、 0 引 舌 卫星导航系统由于投入巨大和风险性等原因, 一卫星质量、基于星固系(SF)下的星载传感器相位 中心和卫星质心之差、基于星固系(SF)下的星载 般要在初始阶段进行系统仿真。地面测站为了 传感器单位矢量、基于天线NEU坐标系的天线相 位中心、PCV(ANTENNA PHASE CENTER VARIATIONS)。PCO(ANTENNA PH ASE 实现对卫星的跟踪,需要预测卫星相对于测站的方 位角和高度角,其中卫星轨道仿真是系统仿真的重 要内容 。 CENTER OFFECTS)等。我们在实际轨道仿真中 可以充分利用以上资料。 目前,对GPS卫星和北斗卫星的历书预报研 为了实现轨道仿真,需要完善卫星摄动力模型 和参数。各种摄动力模型的建立都需要知道与卫 星有关的物理参数,主要包括:S与太阳光线垂直 方向的卫星横截面积;m卫星的质量;C 反射系 究很多,例如:周善石、王解先等进行了GPS广播 星历与历书星历的比较研究_2];王乐、贾小林等研 究了GPS卫星和北斗卫星历书参数拟合算法[3 ; 冯炜等研究了IGU星历在山基GPS掩星预报中 数,介于1~2之间,其与卫星表面反射材质有关; 同时,为了求出S,也需要知道卫星的定向方式和 姿态。所以,卫星的表面几何形状和尺寸、卫星姿 态、卫星材料的光学特性、太阳能帆板的构造和材 的应用 ;王君刚等分析了GPS广播星历拟合及 外推精度 ;黄海等分析了行星位置算法对卫星轨 料等物理特性均会对卫星摄动力模型的精度产生 影响。 道预报的影响 ];苟长龙进行了广播星历插值和精 密星历外推的研究 ]。这些研究主要基于广播星 目前IGS、CODE、AGI、GPS.GOV等官方渠 道都提供了大量GPS卫星的物理参数,常见的有: 历或是精密星历进行导航卫星的历书外推,方法各 种各样。但是目前缺少基于轨道仿真的方法进行 历书外推的研究。本文基于以上现状,利用HPOP 卫星PRN号、卫星型号、COSPAR号(发射年份+ 收稿日期:2015—04—27 资助项目:国家自然科学基金(批准号:41174026) 联系人:车通宇E—mail:gnssche@foxmail.com 第4期 车通宇,等:利用HPOP轨道仿真模型实现接收机自主历书外推 19 高精度轨道外推模型,提出了一种历书外推的方 法,该方法可应用于接收机自主历书外推。 1航天器轨道外推基本原理 不同航天器(例如中高轨的导航卫星、低轨的 遥感卫星)的摄动力模型是不同的。这里首先介绍 航天器轨道外推的一般原理。 如果给出航天器在某一初始历元t。的初始状 态x0,并且已知其运动微分方程,则可通过对运动 微分方程进行数值积分获得该航天器在t。后任一 时刻t≥t。的状态。 根据牛顿第二运动定律,航天器在惯性坐标系 下的运动方程可以由该方程描述: —r GM +,1( r, ) 一f(t,,, , ), (1) 式中:,, ,r分别为航天器质心的位置、速度、加速 度; 为动力学待估参数;GM 为地球引力常数。 式中的一GM 为二体运动,它是运动方程 的主项;,1为作用在航天器上的各种摄动力之和, 包括太阳光压摄动、大气阻力摄动、地球固体潮摄 动、三体引力摄动等。 运动方程积分需要应用积分器,目前常用的是 RKF积分器,其是一种嵌套式的RK方法,该方法 是利用r/和 +1阶两组RK计算公式得到 抖 ,做 差估计截断误差,进而确定下一步的积分步长。 RKF方法变步长方便,稳定度较好,也能保持所需 的精度。例如较简单的RK4方法的公式为[8 fY +1一Y +h/6(忌 +2k2+2k3+k4), f愚t=f(tk,Yk), k2一/(t^+h/2,Y^+hk1/z), (2) l k。=,(t +h/2,Y +hk z/2), 【k 4一,(t +h, 女+hk s). 根据实际情况,选择适当的初始航天器状态参 数和动力学参数,再对运动学方程进行积分就可以 得到外推的轨道。 2 HPoP高精度轨道外推模型 HPOP模型是一种高精度轨道外推模型,其 实现了多种精化的动力学模型,考虑了多种复杂的 摄动。比如:重力场模型采用EGM96模型、JGM4 模型等地球非球形的高精度模型;大气阻力模型有 Jaeehia-Roberts模型、Harris—Priester模型、MSIS 模型等,其Ap、Kp等参数可以从SpaceWeather 文件中读取,考虑了由于太阳辐射引起不同高度大 气变化;太阳光压模型考虑了太阳帆板的反射系 数、面质比等,考虑圆锥地影模型或椭球地影模型; 考虑地球海潮和固体潮;考虑了太阳系行星和一些 卫星的三体引力作用;为了提高精度,该模型其可 以设置较小的积分步长。 文本的轨道外推程序就基于HPOP高精度轨 道外推模型开发。HPOP模型常用的是RKF7(8) 积分器 ]。 3 光压模型 光压主要是指太阳光压。对中高轨道的导航 卫星而言,光压摄动是目前导航卫星动力学模型最 大的误差源之一,太阳直接光压模型对GPS卫星 的影响一天达到100 YnL1 .而太阳光压摄动模型 与卫星姿态控制、面质比、太阳能帆板表面光学特 性等参数相关,不同导航系统、不同卫星的光压摄 动模型是不同的。导航卫星光压模型的研究都是 基于卫星在任意时刻的姿态:导航天线对准地心, 便于传送导航信号;太阳帆板垂直于太阳光线,便 于获得足够能量L】 。 当光子流从太阳发出后与卫星表面碰撞时产 生光压辐射力,其中一部分被反射,另一部分被吸 收。则卫星受到的光压摄动力为 口一 c , (3) I r—K I 式中: 表示地影因子,当卫星完全处于地影或是 月影中时为0,完全处于太阳辐射下时为1,否则介 于0~1之间;P 一4.5605×10~N・m 为光压 常数;C 为反射系数,介于1~2之间;S表示与太 阳光线垂直方向的卫星横截面积;m表示卫星的 质量;a 表示天文单位的长度;,表示卫星在惯性 系下的位置;R表示太阳在惯性系下的位置。 式(3)所采用的光压模型是球光压模型,该模 型比较简单,易于编程实现,在轨道仿真中可以利 用该模型,但是在精密定轨计算时,需针对具体型 号卫星建立更加具体可靠的模型。 4分析方法 本文利用HPOP精密轨道外推模型,采用控 制变量的法则,只改变光压模型中的面质比a/m 和反射系数c,,积分步长取1 S,实现外推多日轨 道。在J2ooo惯性坐标系之下,对比外推后的轨道 20 全球定位 系 统 第4O卷 和IGS精密轨道的坐标分量之差和三维位置之 差,分析设定的参数对于外推模型精度的影响,最 对于光压模型影响非常大,外推一天轨道的三维 RMS最大已经超过5 m.面质比参数在0.02左右 终寻求参数的最优配置。 分析方法的流程如下: 1)设定卫星初始历元To时刻的初始状态,o. 2)设定动力学参数P,包括:卫星质量m;地 球重力场模型以及其阶数和级数;太阳光压反射系 数C 和面质比a/m;大气阻力模型的阻力系数C 外推精度高。通过前文的资料,GPS Block2A卫 星的MASS:970.0 kg、SOLAR—AREA:l8.0 m ,这样粗略计算的面质比大约为0.19. 表1参数选择 参数 数值 单位 和面质比a/m;固体潮模型和海潮模型以及其阶数 和级数;三体引力等。 3)设定卫星轨道外推时间范围丁和积分步长 ,利用HPOP模型和RKF7(8)积分器和前两步 设定的参数进行积分,获得外推的轨道。 4)利用该卫星的精密星历R,对比外推轨道 ,.,设定分析历元间隔dT,求出时间范围内的 RMS. RMS一 . ̄/(R(t)-r(t))2.目\∞蚕6 5 5 4 4 ・ TO n O 5 0 5 O ( 一(T—T。)/dT). (4) 5)改变动力学参数P,重新进行步骤二至四,=萋 分析各种分析条件下的RMS,最终得出结论。 5 算 例 下面进行各种物理参数对于仿真模型的影响 精度的分析。选取了2O14年1月23日的IGU超 快速实时精密星历IGU17764.sp3,对于其PRN03 卫星展开分析,在AGI数据库下载的该卫星的相 关参数如下所示:SVN:33;PRN:03;型号: BLOCK IIA。对于BI OCK IIA型号的卫星,其物 理参数为:BEAM—FOV:38.000 000;MASS: 970.0 kg;SOLARAREA:18.0 m [ . —通用参数设置如下:地球重力场为EGM96(20 ×20),考虑日月引力,考虑固体潮和海潮,设置卫 星姿态为天线对地,太阳能帆板垂直对准太阳。 设置需要分析的面质比a/m、反射系数c 等 卫星物理参数为变量,通过设置变量分析这些参数 对于卫星轨道仿真模型的影响。 5.1基于卫星面质比参数的数据分析 为了分析该卫星面质比对于光压模型的精度 影响,根据预估的面质比范围,设定参数变化范围 从0.018 5"--0.021 5,分析在该变化范围内卫星轨 道外推的精度,比较外推一天的三维RMS(与当天 的IGS精密星历比较)。 从表1和图1可以看出,不同光压面质比参数 kg 无 M /kg 删 好… 3 2 2 l l 0 O 5 O 5 0 5 图1 不同面质比参数外推一天轨道的三维RMS 但是该卫星最佳的面质比参数在0.2左右,出现这 样问题的原因分析如下:1)数据库中的SOLAR AREA参数应当没有考虑卫星星体表面的面积; 2)虽然Block 1I A卫星质量为970 kg,但有些资料 中记载该颗卫星的质量为840 kg.因此卫星的最 佳面质比参数应当在0.2左右。从以上情况也可 以看出,由于诸多条件,官方机构公布的卫星 物理参数只是一个参考值,轨道仿真中不能直接应 用,只能将其作为初值进行分析。 5.2基于卫星光压反射系数参数的数据分析 分析方法同上,设置反射系数变化区间为0.9 ~1.1,分析在该变化范围内卫星轨道外推的精度, 如表2所示,比较外推一天的三维RMS(与当天的 IGS精密星历比较),如图2所示。 表2参数选择 通过分析,可以看出反射系数为1左右,仿真 3 5 第4期 车通宇,等:利用HPOP轨道仿真模型实现接收机自主历书外推 21 4 妻{{!} z 0.9 0.95 0.975 1 1.025 1.05 1.1 反射系数 图2不同光压反射系数参数外推一天轨道的三维RM¥ 模型精度最高。 5.3一日轨道外推精度分析 首先,利用HPOP模型外推PRN03卫星一天 的轨道,分析当天轨道外推精度的变化规律,配置 的参数如表3所示。 表3参数选择 从图3可以看出,该卫星轨道外推精度随着时 间推移逐渐变差(与当天的IO 1 l 2 GS精密星历比较), 大约从15 h后精度变差趋势会非常明显。利用 9 蛆 1 O0 3 1 O 3 6 HPOP模型外推一天的三维坐标分量RMS达到 米级,如表4所示。 图3外推一日轨道与IGS精密轨道偏差 表4外推第1日坐标轴方向的RMS 坐标轴方向 RMS/m X轴 y轴 Z轴 三维 5.4 多日内轨道外推精度分析 同上,利用HPOP模型外推PRN03卫星7日 的轨道,配置的参数如表5所示,分析当天轨道外 推精度的变化规律。 表5参数选择 从图4,表6,表7,表8可以看出,该卫星轨道 \删率鲥迥好… 外推精度随着时间推移逐渐变差(与当天的IGS 精密星历比较),但是存在一定的周期规律,利用 HPOP模型外推一周轨道的三维坐标分量RMS 小于250 m. 25O 200 l50 loo 50 O 0 100 200 300 4OO 500 6OO 700 历元(历元间隔15min) 图4外推7日轨道与IGS精密轨道位置偏差 表6 外推第3日坐标轴方向的RM 坐标轴方向 RMS/m X轴 y轴 Z轴 三维 表7外推第5日坐标轴方向的RMS 坐标轴方向 RMS/m X轴 y轴 Z轴 三维 22 全表8外推第7日坐标轴方向的RMS 坐标轴方向 X轴 球定位 系 统 [4] 冯第4O卷 炜,金慧华,邵佳妮,等.IGU星历在山基GPS RMS/m 79.O59 6 140.O91 1 l14.613 2 掩星预报中的应用[J].大地测量与地球动力学, 2009(5):129—131,137. y轴 Z轴 三维 [5] 王君刚,王解先.GPS广播星历拟合及外推精度 [J].辽宁工程技术大学学报・自然科学版,2014 (8):1118—1122. 197.514 9 6结束语 基于球光压模型,利用HPOP轨道外推模型; [6] 黄海,李建文,韩雪峰,等.行星位置算法对卫星 轨道预报的影响[J].全球定位系统,2013,38(4): 23—27. 设置卫星质量为975 kg,太阳能帆板反射系数为 1.0,面质比为0.020 05,可以实现对于GPS卫星 [7] 苟长龙.广播星历插值和精密星历外推方法研究 的高精度轨道仿真;外推一日三维RMS小于3 m, 5日RMS小于150 m,7日RMS小于300 m,满足 [D].长沙:中南大学,2009. [8] 张玉祥.人造卫星测轨方法[M].北京;国防工业出 版社,2007. 仿真应用需要。文中提出的方法可以作为一种接 收机自主历书外推的方法。 该方法只是对于GPS某颗卫星展开了研究, [9] 丁溯泉,张波,刘世勇.STK在航天任务仿真分析 中的应用[M].北京:国防工业出版社,2Ol1. [10] 陈俊平,王解先.GPS定轨中的太阳辐射压模型 EJ].天文学报,2006,47(3):310—319. [11] 王琰.北斗导航卫星精密定轨算法与软件设计研 接下来的研究可以进一步探讨不同使用年限或者 不同类型导航卫星轨道仿真模型精化。 参考文献 [1] 万丽景.GPS系统建模与仿真技术研究[D].哈尔 滨:哈尔滨工程大学,2009. [2] 周善石,王解先.GPS广播星历与历书的精度比较 [J].工程勘察,2006(9):69—70,74,49. [3] 王 乐.北斗卫星广播星历及历书参数拟合算法研 究[D].西安:长安大学,2014. 究[D].郑州:信息工程大学,2014. [12] AGI.The agi products[EB/OL].[201 5-1—1].ht— tps 『{ .agi.com/products/stk, 作者简介 车通宇 (1990一),男,山西中阳人,硕士生, 主要研究方向为卫星导航工程与GNSS数据处 理。 Executing Receiver Autonomous Ephemeris ExtrapOlati0n by HPOP Model CHE Tongyu ,YANG Li。,ZHANG Chuanding ̄,YAN Zhichuang ,WANG Yan (1.J formation Engineering University,Zhengzhou 450001; 2.Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094) Abstract:The article presents a method to execute Receiver Autonomous Ephemeris Ex— trapolation by orbit simulation.It needs to know the physical related parameters of the satel— lites to execute high—precision orbit simulation for GPS and other navigation satellites.But in practice many parameters can’t be received due to confidentiality restrictions or other condi— tions.It executed Receiver Autonomous Ephemeris ExtraDolation by HPOP mode1 with the method that configured the physical related parameters and compared the extrapolated orbit with IGS ephemeris.The analysis shows:It can execute high—precision orbit simulation by setting the physical related parameters with the mass of 975 KG,solar panel reflection coeffi— cient of 1.0,M/A coefficient of 0.02005;The RMS of the extrapolation reaches the needs of orbit simulation.The method can be used in Receiver Autonomous Ephemeris Extrapolation. Key words:HP0P model;GPS satellite;orbit simulation;ephemeris extrapolation