地球静止轨道卫星, 即GEO(Geosynchronous EarthOrbit)卫星, 是北斗卫星导航系统星座构成不可缺少的部分。北斗系统运行两年多以来, 对北斗系统服务性能的监视表明, 该类卫星在每年春分(3月22日)秋分(9月22日)时段附近出现了服务精度下降的现象。最近一项研究对该问题的原因进行了详细分析, 并提出了春(秋)分附近时段GEO卫星的高精度定轨方法。

研究相关的论文题为：“Orbit determination andprediction for Beidou GEO satellites at the time of the spring/autumn equinox”, 收录于SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy出版的2015年第8期。研究者团队首先采用微波双向时频传递手段获得该星的钟差, 并通过在此约束下的多星定轨方法提升GEO卫星在春秋分附近的定轨精度。

    GEO卫星因其静地特性是北斗卫星导航系统中的重要成员, 也是北斗系统不同于美国全球定位系统GPS最显著的特征之一。GEO卫星的精密轨道确定和预报是北斗系统面临的新的挑战。北斗卫星导航系统开通亚太地区的服务以来, 对GEO卫星服务性能的长期监测发现, 每年当太阳在地球赤道面(即每年春分(3月20日或21日)及秋分(9月22日或23日))附近(大约前后10天范围内)时, GEO卫星定轨精度出现下降的现象。但采用同样的定轨方法和数据来源, 其它两类IGSO/MEO卫星, 同一时段的定轨精度并未下降, 其精度与其它时段精度相当。

    该研究团队的试验分析表明, 在春秋分附近频繁进出地影带来的GEO卫星本体太阳受照的复杂变化, 以及简化的经验太阳辐射压摄动模型是导致GEO卫星在春秋分附近定轨精度显著下降的主要原因。

    研究者绕开精化光压模型这一复杂过程, 充分利用北斗系统独有的微波星地双向时频传递技术的优势, 提出了星地钟差约束下的多星定轨方法, 通过时间同步技术约束伪距/相位观测量, 为轨道的正确计算提供高精度的空间基准。在定轨过程中通过增加1天频度的T/N方向经验力参数以吸收光压模型误差。采用星地钟差约束下多星定轨的三步法即通过三次多星定轨处理, 实现卫星星座轨道的整网处理。

    通过实测数据的试验, GEO卫星在秋分附近预报2小时用户等效距离误差(UERE：User Equivalent Ranging Error)的平均统计值从2。5m提升至1。3m以内, 任一时刻的UERE精度均优于4m, UERE<2。0m的百分比从50%左右提升至85%以上。

Sketch map of the ON mode.

BDS’s two-way frequency and time transfe between satellite and BDT.

    这一研究结果丰富了GEO卫星定轨方法的研究。它不仅对于GEO卫星可用度和北斗导航系统的服务性能提升具有重要的意义, 而且对于卫星姿态动态偏置转零偏置时IGSO/MEO卫星的轨道精度提高具有十分重要的参考价值。

    该项研究得到了国家自然科学基金(No.41204022)资助。

更多详情请阅原文：

LIXiaoJie, ZHOU JianHua, HU XiaoGong, LIU Li, GUO Rui& ZHOU ShanShi.Orbit determination and prediction for Beidou GEO satellites at the time of thespring/autumn equinox. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2015, 58(8):089501

http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/abstract/abstract509832.shtml

http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11433-015-5675-6