2017, Vol. 37
2. 地理信息工程国家重点实验室, 西安市雁塔路中段1号, 710054
2016-03-30我国发射了一颗北斗倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO)卫星，即IGSO-6卫星，PRN编号为C15，其采取了新的姿态控制模式。之前在轨运行的C06~C10五颗IGSO卫星采用的是动态偏航与零偏航两种姿态控制模式。如图 1所示，在太阳矢量与轨道面夹角β小于一定的控制角度时，卫星不再跟踪太阳位置，而是将偏航角固定为0°，即零偏[1-3]。而C15号卫星采取了与GPS系统在轨运行卫星相同的姿态控制模式，在全弧段都采取动态偏航的姿态控制模式，即卫星利用太阳敏感器和地球敏感器不断感知太阳和地球的位置，调整偏航角。由于IGSO卫星属于倾斜地球同步轨道卫星，与GPS系统的中地球轨道(medium earth orbit，MEO)卫星在轨道属性上有所区别，采用动态偏航是否能够提高定轨精度尚未有相关文献进行分析。
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图 1 卫星偏航角几何结构 Fig. 1 Geometric structure of satellite yaw angle |
本文选取了MGEX观测网、武汉大学BETS观测网、iGMAS观测网和授时中心(NTSC)观测网共40多个观测站的观测数据进行GPS/BDS联合精密轨道确定，并利用同时段经历地影期的C08(IGSO-3)和C15两颗卫星对比分析了IGSO卫星在传统姿态控制模式和新姿态控制模式下的定轨精度。实验结果表明，在卫星地影期间，传统模式下IGSO卫星会由于“动偏-零偏-动偏”的机动模式转换导致定轨精度下降，而新姿态控制模式下IGSO卫星可以有效避免地影期的定轨精度下降。这也为我国北斗系统后续发射IGSO卫星选取姿态模式提供了一定的参考。
1 GPS/BDS联合定轨策略GPS/BDS联合精密定轨采用西安测绘研究所自主研发的SPODS定轨软件实现[4]。SPODS采用双频消电离层组合(ionosphere-free combination, IF)的非差相位和伪距作为观测量，运用TurboEdit方法进行相位周跳检测和修复。固定模糊度在双差相位上的实现，先从非差模糊度中选取出最可能被固定的独立双差模糊度集合，然后根据成功概率，序贯地将双差模糊度固定于最近的整数。基于标准大气，采用Saastamoinen天顶延迟模型和Beohm & Neill的映射函数进行对流层延迟改正。潮汐位移改正遵照IERS Conventions (2003)进行[5-7]。定轨模型与参数见表 1。
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表 1 定轨模型与参数 Tab. 1 Orbit determination model and parameter |
在精密定轨时考虑的摄动力包括地球非球形引力、日月及行星摄动、太阳光压及相对论效应。地球引力采用12阶EGM2008模型，考虑了固体潮和极潮引起的引力位变化。日月及行星历表采用JPLEPH。太阳光压采用ECOM模型，并考虑T方向经验力。对于IGSO-3卫星，当卫星轨道面和太阳轨道面夹角小于5°时，采用零偏模式估计，而IGSO-6卫星全弧段一直采用动偏模式，其他处理策略两者一致。
2 实验分析本文选取了4个测站网2016-06-15~07-05的观测数据进行精密轨道确定，测站分布如图 2所示, 红色为iGMAS测站，紫色为NTSC测站，绿色为BETS测站，蓝色为MGEX测站。
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图 2 定轨测站分布 Fig. 2 Station distribution |
北斗系统在轨运行的C06~C10号IGSO卫星主要是通过太阳矢量与轨道面夹角确定卫星采取动偏或者零偏。为了确定实验对应时段内卫星的机动状态，计算所有IGSO卫星的轨道面与太阳矢量夹角，其变化趋势如图 3所示。图中亮绿色线为C08卫星，红色为C15卫星，两颗卫星在2016-06-17(DOY169)和2016-06-18(DOY170)前后进入地影，根据姿态控制模式，C08开始由动偏模式转为零偏模式，而C15仍旧采用动偏模式。在接近2016-06-30(DOY182)和2016-07-01(DOY183)时，太阳矢量和C08、C15两颗卫星轨道面夹角逐渐恢复大于5°，C08卫星开始由零偏模式转为动偏模式。
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图 3 卫星倾角变化趋势 Fig. 3 Trend of satellite inclination |
对于两次定轨计算，有部分时段的观测资料是公共的，可以在这一时段对这两次定轨得到的轨道进行比较，重叠弧段(图 4)的比较可以反映轨道的重叠精度。统计轨道重叠段精度如图 5~7所示。
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图 4 轨道重叠弧段示意图 Fig. 4 Illustration of orbit overlap |
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图 5 R方向重叠段精度 Fig. 5 Overlap accuracy for R direction |
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图 6 T方向重叠段精度 Fig. 6 Overlap accuracy for T direction |
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图 7 N方向重叠段精度 Fig. 7 Overlap accuracy for N direction |
从图 5~7可以看到，在卫星姿态模式变换阶段，即DOY170和DOY182附近，C08卫星轨道重叠段精度有明显下降现象；在DOY170和DOY171，重叠弧段径向精度分别达到0.41 m和0.28 m；在DOY182和DOY183，重叠弧段径向精度分别达到0.18 m和0.19 m。而采用了连续动偏模式的C15卫星在对应时段内定轨精度未有明显降低的现象，在对应时间重叠弧段径向精度都优于0.05 m。
2.2 激光视向精度检核激光数据由于其测量精度较高，是目前事后精密轨道外符合精度的主要评价方法[8]。基于2016-06-15~07-05的部分激光数据，对北斗C08和C15卫星精密轨道进行了评估，由于激光数据量较少，仅能反映部分时间点的外符合精度，结果如图 8~9所示。
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图 8 C08卫星激光检核 Fig. 8 SLR residual results of C08 |
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图 9 C15卫星激光检核 Fig. 9 SLR residual results of C09 |
在地影期间有两个时段两颗卫星都有激光观测数据，对比分析激光数据检核结果，在DOY177附近，C15卫星轨道视向精度优于C08卫星；在DOY182附近，C08卫星刚完成了零偏转动偏的姿态变换，其轨道视向精度达到0.2 m左右，而C15卫星视向精度优于0.1 m
2.3 定轨残差统计表 2给出了DOY168~187的C08卫星和C15卫星定轨残差比较统计RMS结果，包含了进地影、地影中和出地影3个时间段。可以看出，相比于C08卫星，C15卫星的定轨残差更小，也反映出C15卫星定轨精度更优。
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表 2 定轨残差统计(RMS) Tab. 2 Statistics of orbital residual(RMS) |
本文利用4个观测网共40多个测站的实测数据，从轨道重叠段、激光检核和定轨残差3个方面对比分析了北斗系统新姿态控制模式下IGSO卫星的定轨精度，验证了北斗系统IGSO卫星采用新姿态控制模式的可行性和有效性。实验结果表明，由于在地影期间，当IGSO卫星采用动偏/零偏姿态控制模式时，模式变化会造成卫星本体受照的变化，直接引起卫星光压力的变化，定轨时单一光压模型对卫星状态估计不足，导致了轨道确定精度的下降。而新发射的IGSO-6卫星采取连续动偏的姿态控制模式，在卫星经历地影期时，姿态模式前后保持一致，能够有效避免光压力估计的不足，确保定轨精度不下降。本文目前只利用实测数据分析验证了新姿态控制模式下IGSO卫星的定轨精度，而地影期间卫星新姿态控制模式对参数估计的具体影响将在下一步工作中进行深入研究。
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