一种空间站共视时间比对轨道误差修正方法

1.本发明涉及一种轨道误差修正方法。


背景技术：

2.2021年，中国完成空间站天和核心舱的发射与在轨测试验证，航天员进入核心舱长期开展太空生活和科学实验。随后，中国将再次发射两个实验舱，与核心舱一起构建空间实验室。在实验舱上，将会搭载高精度的时频实验柜，配置高性能光学原子钟系统，产生秒级稳定度在10-15
量级、日稳定度在10-18
量级的超高性能的时间频率信号。
3.欧洲空间局也在实施基于国际空间站iss的空间原子钟组aces计划，将会搭载一台激光冷原子铯钟和一台主动型氢钟，利用国际空间站的微重力环境来开展微波原子钟实验。
4.因此，不仅是中国的空间站，还是欧洲的国际空间站，都将成为高性能的空间移动时间源，再结合两个空间站的对地微波通信链路，完全可以把空间站当作共视时间比对的参考源，开展两个观测站之间的高精度时间比对。
5.结合空间站微波链路信号设计体制，以高精度大气探空设备为辅助，大气延迟和相对论影响的修正精度可以达到几十皮秒甚至皮秒量级，空间站轨道误差将是限制共视时间比对精度的首要因素。由于空间站轨道高度较低，距离地面只有几百公里，在共视时间比对基线长于轨道高度的情况下，轨道误差对共视时间比对的影响将会放大。理论研究和仿真分析表明，300皮秒的轨道误差对空间站共视时间比对的最大影响将达到700皮秒左右。
6.为了实现更高精度的共视时间比对，需要找到合适的空间站轨道误差修正方法，克服由于低轨特性导致的轨道误差放大作用，将事后精密轨道误差对共视时间比对的影响控制在300皮秒以内。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术由于低轨特性导致的空间站轨道误差放大作用的不足，本发明提供一种空间站共视时间比对轨道误差修正方法，寻找到两站轨道误差空间相关性较高的观测点，将事后精密轨道误差对共视时间比对的影响限制在300皮秒以内，对于部分观测条件良好的测站，可以进一步减少轨道误差的影响。本方法既适用于空间站实时共视时间比对，也适用于事后共视时间比对数据的批量处理，实时和事后的数据处理方法相同。事后数据处理可以利用精密轨道，精密轨道误差绝对值小于0.1米，共视时间比对的性能更高。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
9.1)根据空间站轨道数据，计算两个地面观测站a和b的高度角el和方位角az；
10.2)依据高度角来判断两个测站是否同时可视空间站，两站同时刻高度角均大于0度，则认为该时刻两站同时可视空间站，进入步骤3)，否则返回步骤1)，计算下一时刻两个地面观测站的高度角el和方位角az；
11.3)分别计算三维轨道误差在两测站视线方向上的投影系数x_coef、y_coef和z_
coef；
12.4)计算两测站各个误差维度上的投影系数之差xa_coef-xb_coef、ya_coef-yb_coef和za_coef-zb_coef，脚标分别表示地面观测站a和b；
13.5)在x轴、y轴和z轴三个方向分别以设定的步进值逐步计算绝对值小于事后精密轨道误差绝对值的轨道误差向量，得到空间站三维轨道误差向量集合{oex,oey,oez}；
14.6)基于步骤4)和5)的计算结果，计算轨道误差在两站视线方向上投影差的集合；
15.7)基于步骤6)的计算结果，计算投影差集合中的绝对值的最大值δe
max
；
16.8)设置判决门限，筛选出投影差小于判决门限的观测点，即得到两测站轨道误差空间相关性较高的观测时刻，在这些观测时刻上采取共视时间比对计算，获得空间站共视时间比对结果。
17.所述的x_coef＝(sinelcosb
p
cosl
p-coselsinazsinl
p-coselcosazsinb
p
cosl
p
)，y_coef＝(coselsinazcosl
p-coselcosazsinb
p
sinl
p
sinelcosb
p
sinl
p
)，z_coef＝(coselcosazcosb
p
sinelsinb
p
)，其中，l
p
和b
p
分别为地面站的大地经度和纬度。
18.所述的步骤(5)把轨道误差划分为ecef坐标下的三维误差向量，x轴、y轴和z轴的轨道误差分量oex、oey、oez均位于区间[-0.1,0.1]米，以0.01米的步进得到x轴、y轴和z轴的轨道误差集合{oex}、{oey}、{oez}，对位于x轴、y轴和z轴的轨道误差集合内的数据进行任意组合，再基于判决条件米对轨道误差进一步筛选，得到可能的轨道误差向量集合。
[0019]
所述的步骤(7)中，轨道误差在两站视线方向上投影差l
1-l2＝oex(xa_coef-xb_coef) oey(ya_coef-yb_coef) oez(za_coef-zb_coef)。
[0020]
所述的步骤(8)对于无遮挡的测站间以250皮秒作为判决门限，对于有遮挡的测站以300皮秒作为判决门限。
[0021]
本发明能够应用在多个地面观测站的空间站共视时间比对轨道误差修正中。
[0022]
本发明的有益效果是：通过寻找到两测站轨道误差空间相关性较高的观测时刻，克服因为空间站的低轨特性导致的共视时间比对轨道误差的放大效应，结合共视时间比对原理对轨道误差进行修正，修正精度优于300皮秒。本发明把轨道误差对空间站共视时间比对的影响降低了大约400皮秒，可以推动空间站在高精度共视时间比对领域的工程应用。
附图说明
[0023]
图1是原始空间站轨道误差对共视时间比对的影响仿真图；
[0024]
图2是空间站轨道误差修正流程图；
[0025]
图3是西安和北京共视时间比对轨道误差修正效果图；
[0026]
图4是北京和上海共视时间比对轨道误差修正效果图。
具体实施方式
[0027]
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。
[0028]
以a，b两个地面站进行事后空间站共视时间比对计算为例，本发明包括以下步骤：
[0029]
1)根据空间站轨道数据，计算两个地面观测站的高度角el和方位角az；
[0030]
2)依据高度角来判断两个测站是否同时可视空间站，两站同时刻高度角均大于0度，则认为该时刻两站同时可视空间站；
[0031]
3)在两站同时可视空间站的情况下，分别计算三维轨道误差在两测站视线方向上的投影系数。以ecef坐标下x轴、y轴和z轴轨道误差为例，通过x_coef＝(sinelcosb
p
cosl
p-coselsinazsinl
p-coselcosazsinb
p
cosl
p
)计算x轴轨道误差在两站视线方向的投影系数，通过y_coef＝(coselsinazcosl
p-coselcosazsinb
p
sinl
p
sinelcosb
p
sinl
p
)计算y轴轨道误差在两站视线方向的投影系数，通过z_coef＝(coselcosazcosb
p
sinelsinb
p
)计算z轴轨道误差在两站视线方向的投影系数，这三个公式中l
p
和b
p
分别为地面站的大地经度和纬度；
[0032]
4)计算两测站各个误差维度上的投影系数之差xa_coef-xb_coef、ya_coef-yb_coef和za_coef-zb_coef；
[0033]
5)计算空间站三维轨道误差向量集合，事后精密轨道误差绝对值小于0.1米。以ecef坐标下x轴、y轴和z轴轨道误差为例，x轴、y轴和z轴均以0.01米的步进，计算绝对值小于0.1米的轨道误差向量集合；
[0034]
6)基于步骤4)和5)的计算结果，计算轨道误差在两站视线方向上投影差的集合；
[0035]
7)基于步骤6)的计算结果，计算投影差集合中的绝对值的最大值δe
max
；
[0036]
8)设置判决门限，筛选出投影差小于门限的观测点。对于观测条件良好的测站间的比对，一般以250皮秒作为门限，可以把轨道误差对共视时间比对的影响控制在250皮秒以内。对于有遮挡的测站，也可以依据实际情况调整门限值，例如把门限放大到300皮秒。在满足判决条件的这些观测点上，轨道误差的空间相关性较高，将轨道误差对共视时间比对的影响限制在门限以下。
[0037]
在完成上述步骤之后，筛选出两测站轨道误差空间相关性较高的观测时刻，在这些观测时刻上采取传统的共视时间比对计算，即可获得轨道误差影响小于判决门限的空间站共视时间比对结果。
[0038]
本发明的实施例包括以下9个步骤。
[0039]
步骤1.获取两个地面观测站的ecef坐标和大地经度l
p
、纬度b
p
；
[0040]
步骤2.基于空间站的事后精密轨道数据和两个地面观测站的ecef坐标，计算两站的高度角el和方位角az；
[0041]
步骤3.对两站的高度角进行判断，两站同时刻高度角均大于0度，则认为该时刻两站同时可视空间站，可以开展后续的共视时间比对计算。若不满足同时可视的条件，则退回到步骤1，进行下一时刻的高度角、方位角计算，并重新进行可视判断；
[0042]
步骤4.通过x_coef＝(sinelcosb
p
cosl
p-coselsinazsinl
p-coselcosazsinb
p
cosl
p
)计算x轴轨道误差在两站视线方向的投影系数，通过y_coef＝(coselsinazcosl
p-coselcosazsinb
p
sinl
p
sinelcosb
p
sinl
p
)计算y轴轨道误差在两站视线方向的投影系数，通过z_coef＝(coselcosazcosb
p
sinelsinb
p
)计算z轴轨道误差在两站视线方向的投影系数；
[0043]
步骤5.基于步骤4的计算结果，计算投影系数之差xa_coefx-b
_co、ya_coef-yb_coef和za_coef-zb_coef，用下标a和b区分两个地面观测站；
[0044]
步骤6.计算空间站三维轨道误差向量集合{oex,oey,oez}。由于事后精密轨道误
差绝对值小于0.1米，把轨道误差划分为ecef坐标下的三维误差向量，x轴、y轴和z轴的轨道误差分量oex、oey、oez均位于区间[-0.1,0.1]米，以0.01米的步进可以得到x轴、y轴和z轴的轨道误差集合{oex}、{oey}、{oez}，对位于x轴、y轴和z轴的轨道误差集合内的数据进行任意组合，再基于判决条件米对轨道误差进一步筛选，得到可能的轨道误差向量集合；
[0045]
步骤7.基于步骤5)和6)的计算结果，利用公式l
1-l2＝oex(xa_coef-xb_coef) oey(ya_coef-yb_coef) oez(za_coef-zb_coef)计算轨道误差在两站视线方向上投影差的集合{l
1-l2}；
[0046]
步骤8.计算投影差集合{l
1-l2}中的绝对值的最大值δe
max
；
[0047]
步骤9.把判决门限设置为300皮秒，利用条件关系式δe
max
＜300皮秒进行判断，筛选出投影差小于300皮秒的观测点。
[0048]
通过上述实施步骤，寻找到轨道误差在两观测站空间相关性强的观测时刻，在这些观测时刻上轨道误差对共视时间比对的影响没有被放大，甚至由于共视时间比对原理进行了一定程度的削减，可以提高时间比对的精度。在步骤9完成之后，即可进行常规的共视时间比对计算。
[0049]
从上述实施步骤可知，本发明所提的空间站共视时间比对轨道误差修正方法的实施过程主要包括两站同时可视时刻的判断、轨道误差投影系数的计算、三维轨道误差向量集合的计算、轨道误差在两站视线方向投影差集合的计算和门限判决五个部分。本发明的核心是通过上述五个部分的计算，得到轨道误差对共视时间比对结果的最大影响量，对于最大影响量超过判决门限的观测时刻进行剔除，保留下轨道误差对共视时间比对的影响小于判决门限的观测点。
[0050]
由以上实施例可以看出，本发明的主要特点是通过轨道误差投影差值的计算和判决，来寻找空间站轨道误差在两个地面站空间相关性较高的观测时刻，在这些观测时刻上，轨道误差并不会因为共视时间比对的差分原理进行放大，甚至得到削弱。本发明克服了空间站轨道误差对共视时间比对的放大效应，把轨道误差的影响从700皮秒量级降低至300皮秒以内，使得空间站共视时间比对的精度大大提高。