李榮旺,李語強
(1.中國科學院國家天文臺云南天文臺,昆明 650011;2.中國科學院研究生院,北京 100049)
精密定軌,又叫統(tǒng)計定軌,就是利用長期足夠多的觀測資料進行解算,包括衛(wèi)星的“精確”軌道以及相關(guān)的動力學參數(shù),如大氣阻力系數(shù)、光壓系數(shù)、UT1、站坐標等。
精密定軌是一種動力學定軌方法,區(qū)別于幾何定軌,其動力學方程如下[1]:
參考國際上的精密定軌程序,結(jié)合工作需要——處理多種類型的觀測資料,更新了相關(guān)的模型及參數(shù),形成了在云南天文臺用于精密定軌的系統(tǒng),以POREDY(Precision Orbit Estimate Determination of Yunnan Observatory)代稱。
圖1 精密定軌批處理的流程圖[2]Fig.1 Flowchart of batch processing of POD (Precision Orbit Determination)[2]
精密定軌批處理的流程圖如圖1。其中,框圖“積分”表示積分狀態(tài)矢量和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,框圖“計算”表示計算理論值及其偏導數(shù)和殘差,并進行Givens變換。由于定軌過程是一個長期積分和不斷迭代的過程,計算量非常大,因此需要高性能的計算平臺??紤]到計算機字長的限制,對于長期積分來講,截斷誤差的積累是必須要考慮的。因此需要采用64位高精度硬件平臺(其中雙精度支持128位)。
在精密定軌過程中,實際上假定了動力學模型是“精確的”,觀測值與理論計算值的差除觀測誤差(包括隨機誤差,系統(tǒng)誤差和時間誤差)外,直接反映了衛(wèi)星初始狀態(tài)的不精確,因此模型的誤差就直接影響精密定軌的結(jié)果?;谏鲜鲈颍托枰捎帽M可能“精確”的動力學模型。POREDY所采用的動力學模型如表1。
表1 POREDY所采用的動力學模型Table 1 The Dynamic Models of the POREDY
參考系選取如下:
●基本參考系:J2000歷元平赤道系和平春分點;
●站坐標:ITRF2005[4];
●歲差和章動模型:IAU2000 ;
●精密星歷:DE405/LE405。
高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)對精密定軌來講是至關(guān)重要的。然而,在實際觀測中,由于各種因素的影響,觀測數(shù)據(jù)中往往存在著精度不高的數(shù)據(jù)甚至是錯誤數(shù)據(jù)。對觀測數(shù)據(jù)進行的預處理并不能考慮數(shù)據(jù)與動力學模型的吻合情況,只能剔除大野值。因此,就必須進行殘差分析,剔除錯誤數(shù)據(jù)和誤差較大的數(shù)據(jù)再進行定軌。
用精密定軌軟件POREDY對LAGEOS進行定軌計算,利用全球SLR數(shù)據(jù),起始時刻為2004年1月1日0時(UTC),3天為一個子弧,共計算100個子弧,觀測數(shù)據(jù)總數(shù)為60278,各個子弧對應所有測站總的RMS及子弧對應的觀測數(shù)據(jù)總數(shù)見圖2,其中■為空間研究中心CSR(Center for SpaceResearch)的結(jié)果,●為POREDY的結(jié)果。利用殘差分析方法,得各測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果及多圈測距偏差和時間偏差,列于表2。其中,測距偏差的單位為cm,時間偏差的單位為μs。
圖2 LAGEOS的3天弧段的標準點數(shù)和定軌殘差RMS
表2 LAGEOS的殘差分析報告Table 2 The residual analysis for the satellite LAGEOS
續(xù) 表
STATIONTOTALPASSESTOTALOBSEDITEDOBSEDITEDPCTREMAINPASSESBIASTBIAS7825STROML56529346.446-0.443.897832RIYADH47140741914.7416-0.02-0.557835GRASSE71819242.964-0.56-0.337836POTSD23737420.537-0.050.527837SHAHAI77685385.5660.08-0.497838SHO___2453759240.6241-0.202.987839GRAZ__36743751202.7331-0.40-0.307840RGO___3764650891.93530.19-0.597841PTSDM31411851472.5133-0.08-0.077845GRASSM40709121.739-0.393.887941_MLRO_23924341014.1202-0.070.438834WETZL2436335235310.5325-0.420.66TOTAL55896027824484.14889-0.070.29
用精密定軌軟件POREDY對AJISAI進行定軌計算,利用全球SLR數(shù)據(jù),起始時刻為2008年5月3日0時(UTC),3天為一個子弧,共計算100個子弧,觀測數(shù)據(jù)總數(shù)為140197,各個子弧對應所有測站總的RMS及子弧對應的觀測數(shù)據(jù)總數(shù)見圖3,其中■為空間研究中心CSR的結(jié)果,●為POREDY的結(jié)果。利用殘差分析方法,得各測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果及多圈測距偏差和時間偏差,列于表3。其中,測距偏差的單位為cm,時間偏差的單位為μs。
圖3 AJISAI的3天弧段的標準點數(shù)和定軌殘差RMS
表3 AJISAI的殘差分析報告Table 3 The residual analysis for the satellite AJISAI
從LAGEOS和AJISAI的定軌結(jié)果來看,LAGEOS的測站總RMS不超過3cm,主要集中在1.5cm附近,AJISAI的測站總RMS不超過6cm,主要集中在3.5cm附近,與同期空間研究中心CSR的RMS相當,表明云南天文臺用于精密定軌的系統(tǒng)POREDY的運算結(jié)果是可信的。
[1] 李濟生.人造衛(wèi)星精密軌道確定[M].北京:解放軍出版社,1995:1.
[2] 秦顯平.基于SLR技術(shù)的衛(wèi)星精密定軌[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2003,20.
[3] Dennis D M. IERS Conventions(2003).
[4] 朱文耀.ITRF2005簡介和評析[J].天文學進展,2008,26(1):1-14.
Zhu Wenyao. Notes and Commentary on the ITRF2005. Progress in Astronomy, 2008, 26(1): 1-14
[5] 馮初剛.SLR資料的快速處理[J].測繪學報,2001,30(3):226-232.
Feng Chugang. LAGEOS-1 and LAGEOS-2 Quicklook Residual Analysis. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2001, 30(3): 226-232.
[6] 馮初剛.LAGEOS衛(wèi)星精密定軌及殘差分析[J].天文學報,2003,44(1):55-64.
Feng Chugang. Determination of LAGEOS Satellite’s Precise Orbits and Residual Analysis. Acta Astronomical Sinica, 2003, 44(1): 55-64.