GPS相對定位在重力衛星KBR測距中的應用

摘要：衛星重力測量技術(shù)的應用對于地球重力場(chǎng)的反演具有劃時(shí)代的意義，是當今大地測量領(lǐng)域的研究前沿和關(guān)注熱點(diǎn)之一，我國目前在該領(lǐng)域研究尚屬起步階段。文章介紹了重力衛星測量系統的組成，研究了GPS相對定位與定時(shí)在重力衛星K波段測距系統(KBR)微米級測距中的作用，給出了利用雙頻 GPS相對定位與定時(shí)結果修正KBR測距的方案，并通過(guò)仿真實(shí)際應用對該方案進(jìn)行驗證。驗證結果表該方案可達到重力衛星測量的要求。
關(guān)鍵詞：重力衛星；K波段測距系統(KBR)；雙頻；相對定位；定位精度

地球重力場(chǎng)是地球的一個(gè)基本物理場(chǎng)，重力場(chǎng)及其變化反映了地球表層及其內部的物質(zhì)分布和運動(dòng)，決定了大地水準面的起伏和變化，地球重力場(chǎng)的精確測量對大地測量、地球物理、地球動(dòng)力學(xué)和海洋學(xué)等學(xué)科的發(fā)展具有極其重要的意義。衛星重力測量技術(shù)的應用對于地球重力場(chǎng)的測量具有劃時(shí)代的意義，是當今大地測量領(lǐng)域的研究前沿和關(guān)注熱點(diǎn)之一。常規的重力場(chǎng)確定方法主要依靠地面重力觀(guān)測，地面
觀(guān)測周期較長(cháng)，且占地球四分之三的海洋重力數據缺乏，確定重力場(chǎng)的精度受到限制。隨著(zhù)空間定位技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)在地球重力場(chǎng)研究方面所取得的成就遠遠超出過(guò)去30年的總和。20世紀80年代出現的衛星測高技術(shù)較大地提高了重力場(chǎng)的確定精度，如著(zhù)名的EGM96模型。2000年7月由德國GFZ發(fā)射的重力衛星GHAMP，邁出了衛星重力測量的重要一步。2002年3月由美國宇航局和歐洲聯(lián)合發(fā)射的低跟蹤衛星GRACE，采用KBR雙向測距，同時(shí)利用雙頻 GPS定位、測時(shí)結果修正KBR測距，使得測距精度達到幾十微米，距離變率測定精度達到0．1 μm／s。此外，歐洲空間局也在2009年3月份成功發(fā)射了GOCE重力梯度衛星，衛星重力測量得到了空前的發(fā)展。但是，我國目前對重力衛星的研究處于起步階段，重力衛星星間高精度測距技術(shù)也在重點(diǎn)攻關(guān)之中。為此，文章主要介紹雙頻GPS接收機在重力衛星星問(wèn)高精度測距中不可或缺的作用，并提出一種利用雙頻GPS觀(guān)測量進(jìn)行修正KBR測距的工程化方案，為我國后期的衛星重力探測計劃提供工程參考。

1 測量系統組成
整個(gè)重力衛星星座由兩顆相距200 km，軌道高度500 km的衛星組成，每顆衛星都搭載了高精度雙頻GPS接收機、K／Ka雙波段(24／32 GHz)測距系統和高精度的時(shí)鐘等(每顆衛星上搭載的GPS接收機和KBR的時(shí)間標準采用同一個(gè)振蕩器)如圖l所示。兩星間精密測距的基本思路是：首先利用K波段測距系統(KBR)對兩星之間的距離進(jìn)行測量。與此同時(shí)，A星和B星利用其各自的可視GPS導航星進(jìn)行絕對定位與定時(shí)，再通過(guò)共視GPS導航星進(jìn)行相對定位與定時(shí)，并利用GPS相對定位與定時(shí)結果修正KBR測距，使其測距精度達到微米級。



2 GPS定位結果修正KBR測距
2．1 KBR雙向測距及時(shí)間同步誤差
重力衛星A和B間通過(guò)KBR系統進(jìn)行精密雙向測距，其測距原理如下。
重力衛星A在理想真實(shí)時(shí)刻t對重力衛星B載波信號的觀(guān)測量可以表示為：

式中，trA、trB分別為重力衛星A和B的KBR時(shí)標；CA(tr)、CB(tt)分別為重力衛星A和B在信號接收時(shí)刻和發(fā)射時(shí)刻的鐘差；dCA(tr)、dCB(tr)分別為重力衛星A和重力衛星B在接收時(shí)刻的鐘漂。鐘漂對KBR相位的影響僅僅發(fā)生在信號發(fā)射至接收這一時(shí)段 (r≈0．7 ms)，只要鐘漂達到10-10，就可以達到1／1000周的測相精度，因此，影響測相精度的主要誤差是時(shí)標ttA、trB的同步誤差。