Precision orbit determination research of LEO satellite simulated downlink data
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摘要: 低轨卫星导航定位是新一代卫星导航技术发展的重要方向，使用低轨卫星提供高精度定位、导航、授时(positioning, navigation，timing，PNT)服务，需要能够利用下行数据对其进行精密定轨. 目前低轨卫星定轨相关研究多以星载GNSS数据和星间链路数据为研究对象，缺少针对低地球轨道(low earth orbit，LEO)下行数据定轨能力的分析. 为分析低轨卫星下行数据定轨性能，模拟仿真了轨道高度
1000 km、轨道倾角48°的Walker 90/10/1 低轨卫星导航星座、150个地面测站及相应轨道、钟差和观测数据. 分别使用测站数为60、90、120和150的全球测站网络观测数据进行LEO卫星精密定轨，并对定轨精度和可视测站卫星位置精度衰减因子(satellite position dilution of precision，SPDOP)值进行分析. 结果表明: 测站数从60增加至150可使LEO卫星轨道1d 均方根(root mean square，RMS)从117.5 mm提升至39.8 mm；当测站稀疏时，LEO卫星定轨精度降低迅速；增加测站可以有效改善陆地范围可视测站SPDOP和LEO卫星定轨精度，但由于测站跟踪范围有限，海洋区域可视测站SPDOP和LEO卫星定轨精度难以获得改善，需引入新的观测数据源. 研究结果可为低轨导航卫星系统建设提供支持.-
关键词:
- 低轨卫星 /
- 卫星精密定轨 /
- 低轨星座仿真 /
- 测站卫星位置精度衰减因子(SPDOP) /
- 低轨卫星下行数据
Abstract: This study focuses on precision orbit determination utilizing simulated downlink data from low earth orbit (LEO) satellites. A comprehensive investigation is conducted on the orbit determination performance, considering a simulated Walker 90/10/1 LEO satellite constellation with an orbit altitude of 1 000 km and an inclination angle of 48°, along with 150 ground stations equipped with corresponding orbit clocks and observation data. The observational data from global station networks, featuring station numbers ranging from 60 to 150, are utilized for precise orbit determination of LEO satellites, followed by a detailed analysis of orbit accuracy and station position dilution of precision (SPDOP) values. Results indicate a significant enhancement in LEO satellite orbit accuracy from 117.5 mm to 39.8 mm upon increasing the number of stations from 60 to 150. Furthermore, sparse station distribution leads to a rapid degradation in LEO satellite orbit accuracy. The study underscores the effectiveness of augmenting the number of ground stations in improving both visible station SPDOP and LEO satellite orbit accuracy over terrestrial regions. However, due to the constrained tracking range of stations, enhancing the orbit accuracy of LEO satellites in marine regions remains challenging. -
表 1 仿真LEO轨道动力学模型信息
动力学模型 模型信息 地球重力场 EGM(120×120) N体引力 JPL DE405 固体潮、极潮 IERS 2010 海洋潮汐 FES 2004 相对论效应 IERS 2010 太阳光压 Box-Wing 大气阻力 DTM94 经验力 每个轨道周期在C、A和R
添加一组周期性常数经验力(sin项和cos项)
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表 2 数据仿真策略
项目 仿真策略 观测数据 伪距和载波观测值
LEO L1:1561.098 MHz
LEO L2:1268.520 MHz数据采样率 30 s 模糊度参数 24 h弧段10个单频模糊度，2个频点
周跳历元位置随机产生PCO/PCV LEO和地面站均设置为0 对流层延迟 干延迟采用SAAF+GMF计算；
湿延迟设置为0电离层延迟 将带电粒子视为在不同高度均匀分布，
由IGS电离层格网文件计算电离层延迟测量噪声 伪距2 m; 载波8 mm
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表 3 数据处理方法与动力学模型
项目 方法/模型 数据处理软件 长安大学精密定轨数据处理软件 观测弧长 24 h 观测数据 LEO L1/LEO L2无电离层组合观测值 太阳光压模型 Box-Wing 大气阻力 DTM94 经验力模型 每个轨道周期在A、C和R估计一组周期性
常数经验力(sin项和cos项)地球重力场 EGM 120×120 观测值权 高度角(E)定权；E>30°，权为1，
否则为2 sin；截止高度角为7°数据采样率 300 s PCO/PCV 设置为0 对流层延迟 干延迟采用SAAF+GMF计算；湿延迟设置为0 N体引力 JPL DE405 固体潮、极潮 IERS 2010 相对论效应 IERS 2010
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表 4 不同测站LEO定轨1d RMS均值
mm 测站数 A方向 C方向 R方向 1d 60 169.9 75.9 67.6 117.5 90 81.8 59.8 43.9 68.9 120 60.4 48.2 36.6 53.4 150 44.0 38.9 29.1 39.4
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图(6) / 表(4)
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