一种利用精密弹道的电波折射修正效果标定方法
【专利摘要】本发明提供了一种利用精密弹道的电波折射修正效果标定方法，利用激光测距或星载GPS测距或高度计数据得到卫星的精密弹道，及大地测量获取的测控设备几何中心标定坐标。通过精密星历与测控设备坐标转换、空间几何矢量运算，得到外测各测量元素的标准值，依据外测数据观测值和各测量元素标准值，求解出大气折射引起的主要误差、剩余残差，设计了定量评估大气折射修正效果的检验模型，计算给出折射修正的精度。本发明实现了不受时间、空间限制，可实时对外测各测量元素的折射修正效果检验评估。
【专利说明】
一种利用精密弹道的电波折射修正效果标定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及在轨航天器测控管理领域，适用于航天器外测数据大气折射修正效果 的检验评估。
【背景技术】
[0002] 大气折射给航天外测系统及卫星导航系统测量数据带来了误差，要提高航天器定 位和测量精度，必须对其测得的视在距离、角度和速度进行电波折射修正，补偿由于空间环 境引起的测量误差。补偿大气折射引起的测量误差是航天器外弹道测量数据处理中的工作 之一。目前所采用的大气折射修正方法都可归为用模型或实测大气折射率剖面与传播修正 模型修正，这就涉及如何对不同大气折射修正方法在不同条件下的修正精度进行评估标 定，以有效提高航天测控设备测控精度。
[0003] 由于地球大气层的实际结构非常复杂，要准确得到电波的真实传播路径是极其困 难的，各种大气模型或修正方法所考虑的大气剖面模型、修正实时性等不同，在一定的条件 下做了某些近似和简化，或略去了一些因素。各种大气折射修正模型或方法因近似方法的 不同而有不同的修正效果，目前常用的评估方法是利用探空气球、微波辐射计、垂测仪、双 频法等获取测站上空的大气折射剖面或用激光测距数据直接比较。在航天器大气折射检验 评估的实际应用中，这些方法在每一个测站进行评估，都需要增加相应的标准观测设备，且 探测时间有限，不能持续提供评估，评估精度受观测时段和地理位置的限制。获取大气折射 剖面受模型公式的假设误差、折射率公式换算误差、大气结构测量方法误差及测站位置、观 测时间等限制，探空气球、垂测仪仅能获取测站上空垂直方向的大气折射率剖面，不能反映 电波传播方向的大气折射率剖面，微波辐射计、双频法受探测设备精度、异常数据波动的影 响;激光测距数据需要合作目标且受天气因素影响较大。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用精密弹道的电波折射修正效果标 定方法，不受时间、空间限制，可实时对外测各测量元素的折射修正效果检验评估。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0006] 步骤1，计算航天器与测控设备之间各测量元素的理论值，包括以下步骤：
[0007] (1)已知测站测量设备中心点的大地坐标为(L，B，H)，则测量设备中心点在地固坐 标系中的位置
，其中，
Re为地球赤道椭球面的长半轴，Rp为地球极半径；
[0008] (2)已知等间隔的地固坐标系中航天器的位置和速度矢量，用插值方法得到航天 器在测量时刻t的地固坐标系位置矢量乃和速度矢量匕
[0009] (3)计算航天器在测站地平坐标系中的位置矢量和速度矢量&，
[0010] (4)计算航天器与测站的理论值测距Pc、方位A。、俯仰E。、测速D。，其中，
[0011] 步骤2，计算大气折射误差标准值，包括以下步骤：
[0012] 将测控设备观测弧段的n个观须擞据组成的外须擞据观测值序列 与计算的各测量元素计算的理论值序列4a、比较，分别得到各测量数据观 测值与理论计算值的差值序列A/Vea、A4^、AZVta:， a = 1，2，...，n;
[001 3 ]设 &_、_、分别表不为序列 y = { y i，y 2，…，y n }，贝|J 针对每
其中，权系数 ；在计算过程中，如果 某点ya的权值Waya与待估量^的差大于35,则认为该点的数据质量不高并予以剔除，重复此 过程至收敛，则结果为大气折射引起误差的标准值、A瓦％、，a=丄， 2,...，m，且m<n，其中m为剔除质量不高的数据后的观测数据个数；
[0014]步骤3，计算待评估折射修正方法的修正剩余残差，包括以下步骤：
[0015]将航天器外测数据的计算标准值作为真实值，使用待评估的1种大气折射修正方 法进行大气折射修正，则第j种大气折射修正方法距离、方位、俯仰和测速折射修正后的残 差粉笔为k 、~=从-^~ =竭=战、-1，其 中沁=1，...1，/\,、4.116、尾^、化"4分别为第」种大气折射修正方法对距离、方位、俯仰 和测速的折射修正量；
[0016]步骤4，利用修正剩余残差和大气折射误差标准值对折射误差修正结果进行检验评估， 折射修正精度
，其中，eab分别为气， A a分别为Ap。％、对测控设备观测弧段的修正结果整体进行评 估时，c=m;对某个观测仰角的修正结果进行评估时，c取此观测仰角前后各5~10个观测有 效值。
[0017]所述的插值方法在测量的t时刻前后各取2个点，得到tk<tk+i<t<tk+2<tk+34个 时刻航天器的位置矢量匕,幻和速度矢量，i = k，k+1，k+2，k+3，计算时刻t处的位置矢
[0018] 本发明的有益效果是:反演了航天器测量时刻各测量元素理论值，在航天器外测 数据处理评估中不受测站地理位置、标准观测设备台套、观测时间的限制，可以持续对外测 数据大气折射修正结果进行评估，同时有效避免了直接测量数据波动对评估的振荡影响， 保证了评估标准数据的平滑和连续;本发明依据观测仰角不同折射误差不同，定义了有效 观测数据大气折射真值确定的权值系数，能有效减少质量不高测量数据对折射修正及评估 的影响，同时保证了低仰角数据的有效利用，更符合测控工程的的实际应用;本发明给出了 航天器大气折射方法的定量评估，评估方法客观性强。本发明所述的评估过程简洁明了，约 束条件少，可为不同大气折射修正方法在不同条件下的航天器测控工程应用提供有力支 撑。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明的方法框架图；
[0020] 图2是本发明的测量元素理论计算值确定流程图；
[0021 ]图3是本发明的大气折射误差真值确定流程图；
[0022]图4是本发明的待评定折射修正方法残差确定流程图；
[0023]图5是本发明的修正效果检验评估流程图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0025]本发明利用激光测距或星载GPS测距或高度计数据得到卫星的精密弹道，及大地 测量获取的测控设备几何中心标定坐标。通过精密星历与测控设备坐标转换、空间几何矢 量运算，得到外测各测量元素的标准值，依据外测数据观测值和各测量元素标准值，求解出 大气折射引起的主要误差、剩余残差，设计了定量评估大气折射修正效果的检验模型，计算 给出折射修正的精度，实现了不受时间、空间限制，可实时对外测各测量元素的折射修正效 果检验评估。
[0026] 1计算测量元素理论值
[0027]利用激光数据或星载GPS数据或高度计数据精密定轨获取的精密弹道及大地测量 的测控设备位置坐标。利用精密轨道数据经过坐标转换、空间几何矢量运算得到航天器与 测控设备之间各测量元素的理论值。
[0028] (1)计算测量设备中心点坐标
[0029]已知测站测量设备中心点大地测量的大地坐标为(L，B，H)，则测量设备中心点在 地固坐标系中的位置f为：
[0033] 其中，Re-地球赤道椭球面的长半轴；
[0034] RP-地球极半径；
[0035] (2)计算航天器在测量时刻的位置和速度矢量
[0036] 已知等间隔的地固坐标系中航天器的位置和速度矢量，用插值方法得到航天器测 量时刻t的地固系位置矢量卩和速度矢量|。在测量的t时刻前后各取2个点，即选取满足t k< tk+1<t<tk+2<tk+3的4个时刻点航天器的位置矢量〇,.，/；T)(i = k，k+l，k+2，k+3)和速度矢量 (K:) (i = k，k+1，k+2，k+3)，用插值公式计算指定时亥Ijt处的位置和速度矢量，即
[0039] (3)计算航天器在测站地平坐标系中的位置和速度矢量
[0040] 航天器在测站地平坐标系中的位置和速度矢量分别为t和4 :
[0043] (4)计算各测量元素的理论值[0044] 各测量元素的理论值测距P。、方位A。、俯仰E。、测速Dc与心和^的转换关系为：
[0051] 2计算大气折射误差标准值
[0052] 测控设备观测弧段共n个观测数据组成的外测数据观测值序列/\、4>,、笔(、 仏（i = l,2,"_,n)与计算的各测量元素计算的理论值序列/%、4,、足，、為= 2,...，n)比较，分别得到各测量数据观测值与理论计算值的差值序列/V4、、我^、 c, (i = l，2, ? ? ?，n)〇
[0053] Ap" r： = po --pt (13)
[0054] AACI-C=A0-1A C .(14)
[0055] - E：^ (15)
[0056] tSD0一，Dn-DCi (16)
[0057] 式中，i = l，2, . . .，n，为测控设备观测数据的数量。
[0058]验证折射误差修正精度时，测站坐标和设备跟踪精度已通过其它方法作了校准。 然而，在实际的观测中，由于各种原因的影响，在所得到的观测数据中往往存在一定数量的 错误数据，以及准确度和精确度不高的数据。为了消除质量不高数据对精度的影响，使用加 权最小二乘法估值予以剔除，从而得到大气折射引起的折射误差标准值。
[0059]设AA_f分别表示为序列y={yi，y2,...，y n}，则针对每个序列 有：
[0063] 剔除准贝IJ: | xi-wiyi | <35
[0064] 在计算过程中，如果某点yi的权值Wiyi与待估量Xi的差大于35,则认为是质量不高 的数据并予以剔除，重复此过程至收敛，则结果为大气折射引起误差的标准值A <、 &-?,、祝1(1 = 1，2，...，!11)，且111彡11，其中111为剔除质量不高数据后的观测数据个 数。
[0065] 3计算待评估折射修正方法的修正剩余残差
[0066]航天器外测数据的观测值为真实距离、大气折射修正量和修正残差的代数和。将 外测数据的计算标准值作为真实值，使用待评估的1种大气折射修正方法进行大气折射修 正，则有修正后的剩余残差：
[0071 ]式中，m为符合评估的观测数据个数，1为待评估的大气折射修正方法数量。
[0072] /'，4%，足、，-分别为第j种大气折射修正方法对距离、方位、俯仰和测 速的折射修正量
[0073] 一分别为第j种大气折射修正方法距离、方位、俯仰和测速折 射修正后的残差。
[0074] 4修正精度检验评估
[0075]利用上文计算的折射修正后残差和大气折射引起的误差对折射误差修正结果进 行检验评估。
[0077] 其中，￡ij-分别为&,，sev' 'sd"，
[0078] A 广分别为，AAo-et, AEv-Ci，ADo-t 〇
[0079] k的取值分为两种，一是对测控设备观测弧段的修正结果整体进行评估，则k为此 测弧段内通过加权最小二乘法估值剔除后的有效观测数据个数m，即k=m;另一种是对某个 观测仰角的修正结果进行评估，则k取此观测仰角前后各5~10个观测有效值。
[0080]本发明的实施例包括以下步骤：
[0081 ] 1、测量元素理论值确定
[0082] 1)获取测控设备标定坐标
[0083]通过大地测量获取的测控设备坐标称为标定坐标，在计算观测量的理论值时，精 密定轨过程对标定坐标进行几何潮汐修正。
[0084] 2)获取精密弹道
[0085]用激光数据或星载GPS数据精密定轨，航天器的精密轨道能完全满足USB标校需 求。根据激光数据及GPS精密弹道验证结果，目前采用星载GPS数据或GPS与USB数据联合定 轨，其精密星历径向误差优于lm，位置误差优于20m。采用HY-2A获取的SLR(激光测距）、 DORIS(多普勒测速)等高精度测量数据，精密轨道数据精度径向误差优于10cm。
[0086]定轨误差主要包括地球半径、站址坐标等原始参数误差，此外在外测数据精密定 轨中涉及固体潮汐误差、时间误差、设备误差和跟踪部位不一致等误差，但目前这些误差与 大气折射修正量相比都是小量，包含在数据分析误差中。
[0087] 该步骤确定测控设备与航天器之间各测量元素的标称值，参照图2,其本方法测量 元素理论计算值确定流程图，首先读取测控设备标定坐标和航天器某时段精密星历，进行 测控设备与航天器坐标变换、设备观测时刻插值和空间几何矢量运算，计算得出外测数据 各测量元素的理论计算值，作为后续评估工作的基准。
[0088] 2、大气折射误差真值确定。参照图3,其为本方法大气折射真值确定流程图。该步 骤对大气折射引起的折射误差真值进行确定，以设备观测仰角的倒数作为权值系数，以测 控设备各测量元素观测值加权与步骤1确定的测量元素理论值进行比较，将大于3S的的数 据予以剔除，重复此过程至收敛。
[0089] 3、待评估方法剩余残差计算。参照图4,其为本方法待评定折射修正方法残差确定 流程图。该步骤对待评估大气折射修正方法对测距、测角和测速修正结果的剩余残差进行 确定，读取k种大气折射修正方法修正结果，与步骤2确定的大气折射真值进行比较，确定k 种大气折射修正方法各测量元素的修正剩余残差。
[0090] 4、修正精度计算与评估
[0091]折射修正精度的检验主要通过数据检验方法进行。折射修正精度的定义如下：
[0093]其中，A c。一各测量元素大气折射修正量，
[0094] A T-大气折射引起的各测量元素误差。
[0095] 参照图5,其为本方法修正效果检验评估流程图。使用前两个步骤输出的待评估折 射修正方法修正后剩余残差及大气折射误差真值进行修正精度的计算，然后对k种修正方 法的修正精度进行比较，修正精度数值大的修正方法优于修正精度数值小的修正方法。
[0096] 参照图1，其为本方法实施流程框图。
[0097] 表1 XX时段XX测站跟踪XX卫星全弧段三种修正方法测距修正精度(单位:米）
[0099] 参照表1，在XX时段XX测站跟踪XX卫星的三种修正方法的测距修正结果中，大气折 射修正方法A最优，方法B次之。
[0100] 表2 XX时段XX测站跟踪XX卫星全弧段三种修正方法仰角修正精度(单位:度）
[0102]参照表2,在XX时段XX测站跟踪XX卫星的三种修正方法的仰角修正结果中，大气折 射修正方法A最优，方法C次之，方法B不具备角度修正能力。
【主权项】
1. 一种利用精密弹道的电波折射修正效果标定方法，其特征在于包括下述步骤： 步骤1，计算航天器与测控设备之间各测量元素的理论值，包括以下步骤： (1) 已知测站测量设备中心点的大地坐标为(L，B，H)，则测量设备中心点在地固坐标系 中的位置，其中：，Re为 地球赤道椭球面的长半轴，Rp为地球极半径； (2) 已知等间隔的地固坐标系中航天器的位置和速度矢量，用插值方法得到航天器在 测量时刻t的地固坐标系位置矢量§和速度矢量^ (3) 计算航天器在测站地平坐标系中的位置矢量UP速度矢量:^，，其中，(4) 计算航天器与测站的理论值测距P。、方位A。、俯仰E。、测速D。，其中，，如果Px<〇,则AC=A C+180°，步骤2,计算大气折射误差标准值，包括以下步骤： 将测控设备观测弧段的n个观测数据组成的外测数据观测值序列、A,,与 计算的各测量元素计算的理论值序列/\、4^、比较，分别得到各测量数据观测 值与理论计算值的差值序列AAi、、AZ)" ^a = 1，2, ? ? ?，n; 设A/7%、_ 、AD。&分别表示为序列y= {yi，y2, . . .，yn}，则针对每个序其中，权系数 ；在计算过程中，如果某点 ，： ya的权值Waya与待估量^的差大于35，则认为该点的数据质量不高并予以剔除，重复此过程 至收敛，则结果为大气折射引起误差的标准值、AZ)。％，a=1，2,...， m，且m<n，其中m为剔除质量不高的数据后的观测数据个数； 步骤3,计算待评估折射修正方法的修正剩余残差，包括以下步骤： 将航天器外测数据的计算标准值作为真实值，使用待评估的1种大气折射修正方法进 行大气折射修正，则第j种大气折射修正方法距离、方位、俯仰和测速折射修正后的残差粉 笔为\ =AA-^ \\ 二碼―--\，其中，b = l，...l，Au、為^、足分别为第j种大气折射修正方法对距离、方位、俯仰和测 速的折射修正量； 步骤4，利用修正剩余残差和大气折射误差标准值对折射误差修正结果进行检验评估， 折射修正精度，其中，^分别为^、&、气"，A a 分别为A/Vq、?，对测控设备观测弧段的修正结果整体进行评估 时，C=m;对某个观测仰角的修正结果进行评估时，C取此观测仰角前后各5~10个观测有效 值。2.根据权利要求1所述的利用精密弹道的电波折射修正效果标定方法，其特征在于： 所述的插值方法在测量的t时刻前后各取2个点，得到tk<tk+i<t<tk+2<tk +34个时刻航 天器的位置矢量和速度矢量= k，k+1，k+2，k+3，计算时刻t处的位置矢量和i速j度矢量
【文档编号】G01C25/00GK106052717SQ201610560327
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】赵军, 王西京, 陈建荣, 洪涛, 张莹, 陈学军, 赵鞭, 张华 , 张冲难, 浦仕保
【申请人】中国西安卫星测控中心