一种基于虚拟站的三程观测数据处理方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟站的三程观测数据处理方法，属于航天测量与控制领域，该方法首先设置虚拟站M，所述虚拟站M位于发射站S与接收站R的中点；计算基于虚拟站的理论测距观测量ρ

说明书

技术领域

本发明专利属于航天测量与控制领域，涉及建立基于虚拟站的测量模型代替双站 收发USB测量模型的数据处理方法。

背景技术

多年来我国的航天测控网普遍采用上下行统一S波段载波对航天器进行跟踪测 量，其中上下行多采用同一个天线收发。近年来随着任务类型的多样化、国际合作和 设备升级改造等带来的现实问题，导致部分任务中采用不同的USB上下行天线（称三 程测距测速）。不同的天线存在站址坐标不同、设备状况、积分时间和测量精度不一致 等问题，从而使得在定轨数据处理中不可能套用已有的测量模型和软件。例如，在某 航天任务中，某站对某卫星的测量设备为USB，其发射天线和接收天线站址不同；测 速的积分间隔为2秒，远大于一般USB采用的0.4秒。如果将该站测量模型等同于同 一站址的双程USB测量模型，将导致测距最大有250米的误差；测速最大有1m/s的 误差，最终给定轨带来较大的误差。

目前，国内在针对不同站址上下行USB测量数据处理方面的研究较少，需要针对 实际问题建立一套测量模型，并且在工程中加以验证。

发明内容

本发明的目的是：为了解决某些情况下卫星测控时USB站发射天线和接收天线不 在一起，导致的无法使用传统USB双程测距测速模型进行轨道确定的问题，给出了一 套新颖的、效率较高的基于虚拟站的三程观测模型数据处理方法。

本发明的技术方案是：基于虚拟站的三程观测模型数据处理方法，包括如下步骤：

步骤一：参阅图1，设置虚拟站M，所述虚拟站M位于发射站S与接收站R的 中点；发射站S到卫星V的距离为ρ_S，实际观测量为ρ_S′，卫星V到接收站R的距离 为ρ_R，实际观测量为ρ_R′；发射站S到卫星V之间连线与卫星V到接收站R之间连线 的夹角为θ；基于发射站S与接收站R的实际测距观测量为基于发射站 S与接收站R的理论测距观测量为实际测速观测量为其中ρ_Ob和ρ_Oe分别为计算差分测速的开始时刻和结束时刻对应的实际测距观测量，T 为计算差分测速的开始时刻到结束时刻的时间间隔；理论测速观测量为 其中ρ_Cb和ρ_Ce分别为计算差分测速的开始时刻和结束时刻对应的理 论测距观测量，T为计算差分测速的开始时刻到结束时刻的时间间隔；

步骤二：计算基于虚拟站的理论测距观测量其中， 为虚拟站M发送信号时刻对应的位置矢量，为卫星V收到信号 时刻对应的位置矢量；为虚拟站M收到信号时刻对应的位置矢量， 为卫星V转发信号时刻对应的位置矢量；

步骤三：使用ρ_M代替基于发射站S与接收站R的理论测距观测量ρ_C；

根据几何关系可以得到${\rho }_M-{\rho }_C=\frac{1}{2}\sqrt{{({\rho }_S+{\rho }_R)}^2-4{\rho }_S{\rho }_R{\sin }^2\frac{\theta }{2}}-\frac{{\rho }_S+{\rho }_R}{2},$由于 SR<<ρ_S,ρ_R，即sinθ≈θ，代入上式得该量为小量，所以ρ_M与ρ_C之 间误差可以忽略；

步骤四：计算基于虚拟站的理论测速观测量其中ρ_Me和ρ_Mb分别为计算差分测速的开始时刻和结束时刻对应的基于虚拟站的理论测距观测量，T 为开始时刻到结束时刻的时间间隔。

步骤五：使用代替基于发射站S与接收站R的理论测速观测量

计算使用代替的误差利用步骤三中的误差结果，容易得到 其中θ_b和θ_e分别为计算差分测速的开始时刻和结束时刻对应的 SV与VR的夹角，由于SR<<ρ_S,ρ_R，故为小量，该误差可以忽略。

至此，得到了基于虚拟站的理论测距观测量ρ_M和理论测速观测量本数据处 理方法完毕。

本发明的有益效果是：基于虚拟站的理论观测量计算简单快捷，满足计算精度要 求，可以用来替代计算复杂的基于发射站S与接收站R的理论测速观测量，在航天测 控领域可以进行推广。

附图说明

图1是卫星测站几何关系示意图；

图2是卫星第8圈某站测距修正误差示意图；

图3是卫星第9圈某站测距修正误差示意图；

图4是卫星第13圈某站测距修正误差示意图；

具体实施方式

本实施例中，采用实测的嫦娥二号（CE-2）USB测距测速数据，采用宇航动力学 国家重点实验室自主研发的多星并行高精度轨道计算软件系统（PASAX）进行，具体 实施方式如下：

步骤一：参阅图1，以CE-2工程中某上行测控站作为发射站R，某下行测控站作 为接收站S，将RS连线的中点设置为虚拟站M，计算M站坐标。实际观测量为2011 年5月1日10时至当日12时，R站上行发射，经CE-2转发，S站下行接收的USB 测距测速数据，采样率为5s；准备好该时间段内CE-2的精密轨道作为下一步计算的 基础。本例中，两站的距离RS约500m，ρ_S,ρ_R约38万km。

步骤二：利用虚拟站M的坐标和CE-2精密轨道，计算各对应时刻M站和CE-2 的位置矢量，进而计算各时刻基于虚拟站的理论测距观测量

步骤三：利用发射站S、接收站R的坐标和CE-2精密轨道，计算各对应时刻S、 R站的位置矢量和CE-2的位置矢量，进而计算各时刻基于发射站S与接收站R的理 论测距观测量计算各个时刻两种理论测距观测量的差别结果显示 两者差别的最大值小于0.1m；可以使用ρ_M代替基于发射站S与接收站R的理论测距 观测量ρ_C。

步骤四：利用虚拟站M的坐标和CE-2精密轨道，按照平均测速公式计算各对应 时刻基于虚拟站的理论测速观测量

步骤五：利用发射站S、接收站R的坐标和CE-2精密轨道，按照平均测速公式 计算各对应时刻基于发射站S与接收站R的理论测速观测量计算各个时刻两种 理论测速观测量的差别结果显示两者差别的最大值小于0.05mm/s，； 故可以使用代替基于发射站S与接收站R的理论测速观测量

根据实际数据的验证，本发明的观测模型数据处理方法准确可信，满足工程计算 要求。

在该实施例中，图2是卫星第8圈某站测距修正误差示意图；图3是卫星第9圈 某站测距修正误差示意图；图4是卫星第13圈某站测距修正误差示意图。图2-4表明 使用本数据处理方法，这3圈测站测距修正误差的最大值约0.07m，小于所规定的误 差限。故本发明的观测模型数据处理方法准确可信，满足计算精度要求。