星基多卜勒轨道确定和无线电定位组合系统（doris）.doc

星基多卜勒轨道确定和无线电定位组合系统（DORIS）●懈嗵/移j}.控制工程17星基多卜勒轨道确定和无线电定位组合系统(DoRIS)潘科炎,/摘要本文阐明DoRIs系统的工作原理,系统结构组成,数据采集和处理一过程介绍j系统的运行性能,并进行7简要的误差分析,最后综合并展望1DORIS系统的应用前景.;l言DORIS星基多勒轨道确定和无线电定位组台系统是"DopplerOrbitographyandRadioPositioningIntegratedbySatellite"的主词缩写.该系统是由法国航天局(CNES),法国空间测地研究院(GRGS)和法国国立地理研究所(IGN)为满足航天器高精度定轨和地面目标精确定位的新需求而设计和研制的.DORIS系统利用星载DORIS接收机测量卫星飞经地面站时地面信标发射信号和DORIS接收机接收信号之间的多h勒额移来实现精确定轨和定位.DORIS系统有许多特点,其上行链路发射分系统(从地面信标到卫星)的运行可实现完全自动化,且系统内部的通信非常简单.目前DORIS系统的星上仪器已装备SPOT系列和TOPEX/POSEIDON海洋观测卫星的有效载荷,其运行性能良好,达到了预定的定轨和定位性能要求.未来的轨道平台也可装备DORIS接收机,预期可达到几el'll级的定位精度.一,工作原理DORIS系统根据星载DoR1s接收机测量卫星飞经地面站时地面信标发射的无线电信号与DORIS接收机接收到的无线电信号之间的多h载频移来实现精确定轨和定位.DORIS系统的心脏是一台可以精确测量地面站发射信号载波频率的星载DORIS无线电接收机,当星上接收机处于地面定轨信标(其位置精确已知)发射信号的视场内,就可测得两个发射信号频率(2036,25MHz和401.25MHz)的多h勒频移.其中一个发射信号的多h勒频移用来确定卫星与地面信标之间的相对速度Vr,即—cd,d/A,这里C为光速,△为多勒频移,f为发射信号频率.另一个发射信号的多h勒频移用来修正信号电离层传播延迟所引起的误差.分析所采集的跟踪数据,并利用作用在卫星上的干扰力(主要是地球重力场的引力)的数学模型,可改进卫星轨道位置的确定精度.一旦卫星轨道精确确定,进行类似的测量就可精确确定地面信标的位置.l8控制工程二,系统结构DORIS系统的结构组成如图1所示,它由星上和地面两部分组成.星上部分包括:星载DORIS双频接收机,重17kg,功耗20W,体积285X280X210;超稳晶体振荡器,在10～100s周期内的短期稳定度可达5XlOI1;全向天线.DORIS星载接收机框图如图2所示.在接收机的锁相回路内有一级低噪声放大器(LNA)和两级中放(IF1和IF2).IF2中的石英滤波器带宽3dB,即2GHz通道的3dB带宽为1.5kHz.这种三阶滤波器的噪声带宽小,没有相位跟踪误差,它作为中频滤波器可防止载波信号受相近离散伪信号的干扰.DORIS接收机可搭载在一大类对地观测卫星上.要求搭载卫星具有较完善的姿态控制功能,卫星应置入高度为750～1500km的近地圆轨道,轨道倾角可任意.轨道太高,则信标发射信号的衰减过大;而轨道太低,则地球重力场模型误差和大气阻力所产生的轨道摄动误差会降低系统的测量精度.图1DORIS系统的结构地面部分包括:由分布于全球的约50个地面定轨信标(ODB)组成的定轨信标网;由若干地面定位信标(GLB)组成的定位信标网;一个用来处理地面控制系统和卫星之问的通信和信息交换的主信标站(MB);设在法国图卢兹测控中心的DORIS控制中心(DCC);由IGN负责管理的信标安装和维护中心.ODB的结构组成框图如图3所示ODB的发射功率在400MHz和2GHz发射频率下分别为5W和10W.发射天线为四螺旋型天线,2GHz天线位于400MHz天线之上.两天线同轴安装.ODB在实验室环境下运行每个ODB有两台发射机(分别以401.25MHz和2036.25MHz频率工作);一台超稳晶体振荡器;一台监控微机,执行必要的控制和处理,时间同步信号传输,内务管理及故障诊断等功能.ODB自带蓄电池备份电源,可保证主时钟连续运行50小时ODB还带有三台气象仪器,可测量大气压力,温度和相对湿度,利用这些参数可修正信号的大气传播延时误差.每条ODB导航电文中均含有上述气象数据以及信标识别码和信标工作状态的有关信息.发送一条导航电文的持续时间为0.8s,每隔10s重复发送一次,星上DORIS控制工程接收机的多b勒计数周期为9s圉2DORIS星戢接收机框图GLB的功能与ODB相同,但只有当某个GLB处于星上DORIS接收机接收范围内,GLB才独立发射信号,每分钟发射1次,2次,或3次,每次持续10s.GLB封装在密封盒中,自带电源,可在野外工作MB是介于DCC和星上DORIS接收机之间的通信链.卫星过顶时,DCC通过MB发射星上程控所需的数据和指令,通知星上接收机应接收哪一个信标的发射信号.同时利用这些数据估计多勒频移,并预置星上DORIS接收机.地面信标安装维护中心负责管理所有的地面信标,并将信标从制造地运送到安装现场.法国航天局CNES负责轨道的精确计算,而GRGS则根据DORIS数据计算并修正地球重力场的模型此外还设有一个专门服务机构,在技术上受IGN管辖,负责看管信标,并可根据用户的需要定做DOR1s产品.1.数据采集三,数据采集和处理在DORIS系统中,所有ODB和DORIS星上接收机都是连续工作的.但星上DORIS接收机在某一时刻只接收一个GLB发射的信号GLB信号不是根据随机存取原则采集的,而是根据时分原则采集的,也就是说,每个GLB只在唯一的预定时间窗口发射上行信号.这是因为,位于某一区域内的所有GLB相对于卫星将产生近似相等的多h勒频移,若这些GLB同时发射上行信号,将彼此干扰另一方面,ODB则连续发射其上行信号.因为两个ODB之间的距离很大,故彼此不会发生干扰.控制工程围3ODB的结构2.数据处理当DORIS卫星飞经信标站上空时,星上DOR1s接收机就接收地面信标发射的上行信号,并通过在一个完全确定的计数周期(_r0—9s)内对接收的载波信号周期进行连续计数的办法测量载波信号频率的多勒频移.典型的多勒计数方式如图4所示.参看图2和图4中的符号.测量信号的过零点跟踪在9s多勒计数窗口内的开沿和"关沿.利用计数信号f确定f的过零时间,并记录过零次数.因此多勒频移测量的表达式可写为:^△^一亍__F+(+z+f~fo)式中:fff,f.均是图2所示的标称频率值,是标称上行频率,T.为计数商口,名义值为9s.测出△fd后,就可算出卫星相对于地面信标之间的相对速度,以此作为定轨和地面定位计算的输入参数星上DORIS接收机每隔10s测量被接收信号的频率一次,将该多勒频移数据连同ODB发送的导航电文(内含气象参数和工作参数等信息)储存在星上存储器中.而后每隔12小时卫星将所存储的数据转发到DORIS控制中心(DCC),再由定轨或地面信标定位部门进行适当处理后发送给用户.控制工程2101厂,厂,/^\/10n圉4多勒计数原理四,系统运行性能帆l01.定轨性能1996.1.22法国发射的地球观测卫星Spot一2首次携带DORIS接收机作为其星上有效载荷.利用定轨信标产生的多h勒数据可精确确定Spot--2的轨道.据估计,要建立一个可用于定轨的精确地球势场数学模型需耗时3个月,以积累必要的建模数据.而完成定轨计算则还要再化费3个月时间.建立地球势场模型并完成验模之后,在DORIS控制中心收到原始数据后的一二天时间内即可获得精确的轨道修正数据.预计Spot一2的最终定轨精度在当地垂线方向为10era.2.定位性能卫星轨道被精确确定后,主管GLB定位业务的有关部门就可为GLB用户提供绝对和相对位置数据.DORIS系统为地面用户提供的绝对定位精度沿全球地心参考坐标系的三轴均优于10era(假定地面定位信标的位置估计误差小于3kin).对于某个孤立的地面倍标,利用一,二个星期内采集的数据,再加上一周时问的数据处理,就可获得10era的绝对定位精度.DORIS卫星为地面信标局部网络(各信标之间相距几百km)提供的相对位置定位精度可达10....五误差分析]DORIS系统的主要误差源是接收机振荡器的频率漂移和信号的大气传播延迟误差.目前星载DORIS接收机振荡器频率在10s采样周期内的短期稳定性为5×10.(1cr值),与此相应的多勒测速精度为0.2mm/s考虑仪器的热噪声和量化误差等其他噪声源.测速精度将降为o.3mm/s由于接收机晶体振荡器的慢漂移难以通过校正的办法降低,因此它对数据处理精度有重大影响.在DORIS卫星一次过顶的观测期间(约1000s),星上DORIS接收机晶控制工程体振荡器频率的中期稳定性由测量频率的斜率(一般为1.5x10./rain)决定.电离层传播误差利用双频接收机修正后基本上可以抵消掉.而利用定轨信标测得的大气参数可建立有效的修正模型.由此可降低对流层传播误差.因此卫星一次过顶的观测期间,经修正后的DORIS接收机伪距测量误差约为6cm(1a值),其中接收机晶振频率中期稳定性的误差贡献为5cm,对流层传播误差贡献为2cm,电离层传播误差及其他仪器误差的贡献为lcm.可以认为,DORIS系统可能实现的定轨和地面定位精度优于10cm六应用DOAIS系统的应用领域有两类,即高精度定轨和地面信标的精确定位.1.高精度定轨DORIS系统的定轨信标(ODB)约5o个,均匀分布于全球,其位置精确已知利用这些ODB组成的定轨信标网络可精确测定卫星的轨道,定轨精度可达10cm.DORIS系统作为试验性的星载有效载荷首次在1990.1.12发射的Spot一2卫星上进行了2年多时间的飞行试验.结果表明,其工作性能优良.Spot--2利用最新的地球引力场模型(PGS4591),根据2天测轨数据所获得的定轨精度为25cm(径向),对地面站坐标的定位精度为15cm:.其后,DORIS星载接收机叉作为美法联合研制的.貌实验/海洋动力学综合监视与研究观测卫星(TOPEX/POSEIDON)的有效载荷,于1992.8.10上天执行任务,所获得的定轨精度为l0～20era.预计未来的轨道平台也能装备DORIS星上接收机,确保为用户提供为期10年的连续服务.2.地面定位信标(GLB)的精确定位DORIS系统利用其高精度定轨的结果可精确测定位置未知(或只知其近似位置)的地面信标位置.DORIS系统的定位精度可望达到几cm级由于DORIS系统位置测量精度不受当地自然环境的影响,所以它特别适用于监视各种自然现象,例如,地震引起的地表运动,火山活动或地壳构造的强烈运动.球Jil运动,大陆漂移;也可遥感水坝,燧道等重大施工现场的活动.可以预计,DORIS系统将使地震,火山,地球动力学和冰jil等领域的长期连续监视产生质的飞跃:在地震学领域,可利用DORIS系统研究与地震活动有关的位移及震前和震后的地表变形;在冰川学领域,利用DORIS系统可测定冰Jil,冰帽和冰层的前进与后退速率;在地球动力学领域,利用DORIS系统可研究地震强烈活动区的地壳板块运动,在大范围内监视地壳构造板块的漂移和内部变形;在火山学领域,利用DO。