GPS相對定位在重力衛(wèi)星KBR測距中的應用

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

地球重力場是地球的一個基本物理場，重力場及其變化反映了地球表層及其內(nèi)部的物質(zhì)分布和運動，決定了大地水準面的起伏和變化，地球重力場的精確測量對大地測量、地球物理、地球動力學和海洋學等學科的發(fā)展具有極其重要的意義。衛(wèi)星重力測量技術的應用對于地球重力場的測量具有劃時代的意義，是當今大地測量領域的研究前沿和關注熱點之一。常規(guī)的重力場確定方法主要依靠地面重力觀測，地面
觀測周期較長，且占地球四分之三的海洋重力數(shù)據(jù)缺乏，確定重力場的精度受到限制。隨著空間定位技術的發(fā)展，近年來在地球重力場研究方面所取得的成就遠遠超出過去30年的總和。20世紀80年代出現(xiàn)的衛(wèi)星測高技術較大地提高了重力場的確定精度，如著名的EGM96模型。2000年7月由德國GFZ發(fā)射的重力衛(wèi)星GHAMP，邁出了衛(wèi)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(wèi)星GRACE，采用KBR雙向測距，同時利用雙頻 GPS定位、測時結果修正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(wèi)星，衛(wèi)星重力測量得到了空前的發(fā)展。但是，我國目前對重力衛(wèi)星的研究處于起步階段，重力衛(wèi)星星間高精度測距技術也在重點攻關之中。為此，文章主要介紹雙頻GPS接收機在重力衛(wèi)星星問高精度測距中不可或缺的作用，并提出一種利用雙頻GPS觀測量進行修正KBR測距的工程化方案，為我國后期的衛(wèi)星重力探測計劃提供工程參考。

1 測量系統(tǒng)組成
整個重力衛(wèi)星星座由兩顆相距200 km，軌道高度500 km的衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)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(tǒng)和高精度的時鐘等(每顆衛(wèi)星上搭載的GPS接收機和KBR的時間標準采用同一個振蕩器)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(tǒng)(KBR)對兩星之間的距離進行測量。與此同時，A星和B星利用其各自的可視GPS導航星進行絕對定位與定時，再通過共視GPS導航星進行相對定位與定時，并利用GPS相對定位與定時結果修正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雙向測距及時間同步誤差
重力衛(wèi)星A和B間通過KBR系統(tǒng)進行精密雙向測距，其測距原理如下。
重力衛(wèi)星A在理想真實時刻t對重力衛(wèi)星B載波信號的觀測量可以表示為：

式中，trA、trB分別為重力衛(wèi)星A和B的KBR時標；CA(tr)、CB(tt)分別為重力衛(wèi)星A和B在信號接收時刻和發(fā)射時刻的鐘差；dCA(tr)、dCB(tr)分別為重力衛(wèi)星A和重力衛(wèi)星B在接收時刻的鐘漂。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標ttA、trB的同步誤差。