周海淵，王旭良，李紅艷，楊 恒

（中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431）

靜電陀螺監(jiān)控器對航天器定軌精度影響分析

周海淵，王旭良，李紅艷，楊 恒

（中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431）

航天測量船與陸基測控站在對航天器進(jìn)行軌道跟蹤測量中存在很大區(qū)別，陸基測控站是定點測控，定軌精度完全取決于無線電設(shè)備自身精度，而測量船是?；鶆討B(tài)測控，定軌精度除受無線電設(shè)備自身精度影響，更大程度上受制于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）提供的船姿船位(航向、船搖、位置)數(shù)據(jù)精度。測量船為提高船姿船位數(shù)據(jù)精度，使用了靜電陀螺監(jiān)控器（ESGM）與慣性導(dǎo)航設(shè)備（INS）、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）相結(jié)合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。結(jié)合 INS/ESGM/GNSS工作原理和測量船航天器定軌中船姿船位數(shù)據(jù)源的選擇，將船姿船位數(shù)據(jù)精度對測量船定軌精度的影響進(jìn)行了仿真，并通過無線電設(shè)備實測數(shù)據(jù)的事后數(shù)據(jù)處理對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證。研究結(jié)果表明，ESGM能夠在很大程度上提高測量船航天器的定軌精度。

靜電陀螺監(jiān)控器；組合導(dǎo)航；數(shù)據(jù)仿真；定軌精度

測量船由于測量點位的靈活性和測控覆蓋范圍的廣泛性，早已成為我國航天測控網(wǎng)不可或缺的重要組成部分。但是由于?；鶞y量是在動態(tài)條件下進(jìn)行，測量船船姿船位都在實時變化，導(dǎo)致?；鶞y控定軌精度一般而言不如陸基測控站[1-3]。然而軌道確定是航天器測量、控制和應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此如何提高測量船船姿船位數(shù)據(jù)精度成為測量船?；鶞y量的關(guān)鍵所在[4-5]。

為提高?；教炱鳒y控定軌精度，第三代航天測量船配備了以ESGM設(shè)備為核心的INS/ESGM/ GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)[7-8]。本文從該組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理出發(fā)，結(jié)合?；鶞y控航天器定軌中船姿船位數(shù)據(jù)源的使用原則，從仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)兩個方面研究了船姿船位數(shù)據(jù)誤差對航天器定軌精度的影響，最后將應(yīng)用ESGM前后測量船的航天器定軌精度進(jìn)行了比較。

1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

ESGM/INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理進(jìn)行如下：ESGM連續(xù)實時地接收INS的位置（經(jīng)度λ、緯度φ）、姿態(tài)（橫搖R、縱搖P）、航向（K）等信息，并向INS輸出位置和航向的修正量，以保證INS能夠長時間、高精度的工作；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）為INS和ESGM實時提供精確的位置信息，是INS和ESGM校準(zhǔn)的位置比對基準(zhǔn)。

該系統(tǒng)圖中的標(biāo)校經(jīng)緯儀（CNS）是測量船航向的基準(zhǔn)。由于光學(xué)系統(tǒng)的高精度特性，CNS接收INS位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)后可以利用天文導(dǎo)航計算出INS的航向誤差進(jìn)而對INS航向進(jìn)行修正，同時ESGM的航向精度也需要利用經(jīng)緯儀進(jìn)行檢測驗證。CNS/INS/GNSS是在ESGM應(yīng)用之前測量船常用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖1 ESGM/INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principle of ESGM/INS/GNSS integrated navigation system

2 海基定軌誤差來源分析

在未裝備ESGM設(shè)備之前，測量船一般在測控任務(wù)開始之前15 min使用CNS和GNSS數(shù)據(jù)完成對INS的最后一次校準(zhǔn)；在裝備ESGM之后，ESGM和GNSS實時對INS數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)修正。

在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，位置信息GNSS精度最高，橫搖和縱搖姿態(tài)信息只有INS能夠提供，而航向信息的來源有INS、CNS、ESGM這3個，INS航向精度較低，需要CNS和ESGM進(jìn)行修正。

綜合以上測量船在航天器定軌過程中，船姿船位數(shù)據(jù)來源如下：經(jīng)緯度位置數(shù)據(jù)來源于GNSS數(shù)據(jù)；橫縱搖數(shù)據(jù)來源于INS；航向數(shù)據(jù)來源于ESGM或者CNS。由此得出對于海上測控精度的影響的最關(guān)鍵因素就是航向數(shù)據(jù)的來源與精度。

CNS/INS/GNSS與ESGM/INS/GNSS兩者之間最大區(qū)別在于，雖然CNS精度最高，甚至可以在校準(zhǔn)后的瞬間使得INS航向誤差幾乎為零，但是在測控任務(wù)中，CNS對INS最后一次校準(zhǔn)至跟蹤結(jié)束，CNS對于INS航向誤差逐漸發(fā)散增大的情況卻無能為力，即CNS無法對INS航向進(jìn)行實時修正。比較而言，ESGM校準(zhǔn)INS航向其瞬時精度雖然無法達(dá)到CNS水平，卻可以實時對INS航向進(jìn)行監(jiān)控和修正。

目前相關(guān)數(shù)據(jù)的誤差如下：GNSS位置測量誤差為0~20 m；INS橫縱搖誤差0"~10"；經(jīng)過統(tǒng)計INS航向使用CNS修正初始誤差為0"，1 h測控任務(wù)跟蹤結(jié)束后INS航向誤差一般能夠達(dá)到20"~40"，使用ESGM修正從跟蹤開始至結(jié)束，INS航向誤差實時能夠保持在10"~20"。

3 ?；ㄜ壘确抡娣治?/h2>

航天器的典型軌道有兩種，一種是近地近圓軌道，另一種是大偏心率軌道。在仿真過程中，分別以兩種典型軌道類型的理論彈道數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)上添加各測量設(shè)備的測量誤差。各設(shè)備疊加的誤差如下：無線電設(shè)備測距誤差7 m，測角誤差41.3"，GNSS位置誤差20 m，INS縱橫搖誤差采用5"，CNS和ESGM修正INS航向的誤差取其統(tǒng)計平均值分別取20"和10"。以理論入軌根數(shù)為比對標(biāo)準(zhǔn)，采用蒙特卡羅方法模擬100次，并統(tǒng)計定軌結(jié)果半長軸誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表1所示。

從仿真結(jié)果看：對于近地近圓軌道，使用ESGM對航向數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，定軌結(jié)果半長軸有 20多米改進(jìn)；而對于超大偏心率軌道，經(jīng)過ESGM數(shù)據(jù)修正后，定軌結(jié)果半長軸改進(jìn)比較明顯，半長軸精度提高了20 km以上。因此從理論仿真層面分析可以得到以下結(jié)論，使用ESGM能夠提高海上測控定軌精度。

表1 仿真計算半長軸誤差Tab.1 Calculation of major semi-axis error in simulation

4 無線電設(shè)備跟蹤精度分析

?；鶡o線電設(shè)備通過組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供的船姿船位數(shù)據(jù)對航天器進(jìn)行測控定軌，即船姿船位數(shù)據(jù)誤差最終疊加反映在無線電設(shè)備的實測數(shù)據(jù)。根據(jù)前面分析，其中的關(guān)鍵為航向數(shù)據(jù)對無線電設(shè)備方位精度的影響。不同類型的航向數(shù)據(jù)對無線電設(shè)備跟蹤測量過程中的方位數(shù)據(jù)有著決定性影響，具體情況可以通過方位殘差反映，方位殘差越小，平均值越趨近于零，定軌精度越高。

圖 2和圖 3分別為兩次海上測控任務(wù)分別采用CNS/INS/GNSS與ESGM/INS/GNSS提供的船姿船位數(shù)據(jù)進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理后得到的無線電設(shè)備方位殘差，其中圖2為某次近地近圓軌道任務(wù)，圖3為某次大偏心率軌道任務(wù)。

數(shù)據(jù)比對的基準(zhǔn)采用火箭箭載GPS。比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用CNS/INS/GNSS與ESGM/INS/GNSS船姿船位數(shù)據(jù)分別計算的無線電設(shè)備方位殘差，后者比前者平均值更接近于零，而且殘差減小了約10″。因此從設(shè)備層面分析可以得到以下結(jié)論：使用ESGM/INS/GNSS無線電設(shè)備方位殘差較小，而海上測控?zé)o線電設(shè)備引入的誤差越小定軌精度更高。

圖2 近地近圓軌道定軌方位殘差Fig.2 Near circular orbit range residuals

圖3 大偏心率軌道定軌方位殘差Fig.3 Highly eccentric orbit range residuals

5 軌道改進(jìn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究ESGM對于測量船航天器定軌結(jié)果的具體影響，在此進(jìn)行了軌道改進(jìn)結(jié)果分析。表 2和表3分別為圖2和圖3所對應(yīng)的兩次海上測控任務(wù)分別采用CNS/INS/GNSS與ESGM/ INS/GNSS船姿船位數(shù)據(jù)的定軌結(jié)果偏差，比對標(biāo)準(zhǔn)為某測控中心事后數(shù)據(jù)處理的精確軌道。軌道計算方法為三元素單位矢量法。

對軌道改進(jìn)數(shù)據(jù)試算結(jié)果的分析表明，仿真結(jié)果與設(shè)備方位殘差反映的情況基本一致。對于近地近圓軌道，航向數(shù)據(jù)對定軌半長軸有所改進(jìn)但是影響較??；使用 ESGM數(shù)據(jù)對航向進(jìn)行修正后，軌道半長軸能改進(jìn)20 m左右；而對于超大偏心率軌道，修正航向數(shù)據(jù)后，對定軌結(jié)果半長軸影響比較明顯，軌道半長軸能改進(jìn)20 km左右。

表2 近地近圓軌道定軌結(jié)果Tab.2 Determination results of close earth and nearly round orbit

表3 大偏心率軌道定軌結(jié)果Tab.3 Determination results of highly eccentric orbit

6 結(jié) 論

ESGM的應(yīng)用極大提高了測量船船姿船位數(shù)據(jù)精度，對提高海上測控任務(wù)定軌精度具有積極作用。本文分析了測量船海上測控任務(wù)定軌的誤差來源，進(jìn)行了軌道改進(jìn)的數(shù)據(jù)仿真，利用實測數(shù)據(jù)的事后數(shù)據(jù)處理對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證。研究結(jié)果表明：使用ESGM可以在一定程度上減小無線電設(shè)備的方位殘差，能夠有效提高海上測控任務(wù)的定軌精度。

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Analysis of electrostatic supported gyro monitor’s influence on spacecraft orbit determination precision

ZHOU Hai-yuan, WANG Xu-liang, LI Hong-yan, YANG Heng
(China Satellite Maritime Tracking & Controlling Department, Jiangyin 214431, China)

There was a big difference between TT&C-ship and ground control station in tracking a spacecraft orbit. The ground control station is static, and its orbit determination precision depends entirely on its radio equipment. While the TT&C-ship is dynamic, and its precision is determined more by the ship attitude precision than by its radio equipment. In order to improve the ship attitude’s measurement precision, an integrated INS/ESGM/GNSS navigation system is applied on TT&C-ship. According to the operation principle of the system and the data source selection during measurement of spacecraft orbit determination on TT&C-ship, a simulation is made to analyze the ship attitude data precision’s influence on the orbit determination precision. Simulations by the measured data of radar verify that the precision of spacecraft orbit determination is significantly improved by the data processing, showing that the TT&C-ship orbit determination precision can be improved by the ESGM.

electrostatic supported gyro monitor; integrated navigation system; date simulation; orbit determination precision

U666.1

A

1005-6734(2016)01-0006-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.01.002

2015-10-05；

2016-01-15

周海淵（1982—），男，工程師，從事慣性導(dǎo)航設(shè)備應(yīng)用研究。E-mail: lynn9527@gmail.com