USB测距测速数据误差建模和评估

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1、２０１４年６月中国空间科学技术６７第３期ＣｈｉｎｅｓｅＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵＳＢ测距测速数据误差建模和评估郑爱武１，２１，２１，２３孙靖胡松杰周建平（１航天飞行动力学技术重点实验室，北京１０００９４）（２北京航天飞行控制中心，北京１０００９４）（３中国载人航天工程办公室，北京１００７２０）摘要统一Ｓ波段（ＵｎｉｆｉｅｄＳ－ｂａｎｄ，ＵＳＢ）系统是目前中国载人航天和月球探测任务的主要测控网。文章对中国ＵＳＢ系统的测距测速数据的误差构成进行了详细分析，给出了传播媒介、相位中心偏差、时标偏差、通道时延以及卫星星历误差的修正模型，并通过对实测数据的残差分析

2、，对目前中国ＵＳＢ测量数据的精度进行了评估，给出了ＵＳＢ测距和测速数据的实际精度。最后，针对目前ＵＳＢ数据的处理和应用情况，提出了数据处理上需注意的一些问题。文章的结论对今后改善中国ＵＳＢ系统的测定轨精度具有一定的参考价值。关键词统一Ｓ波段；测距；测速；残差分析；精度评估；航天器ＤＯＩ：１０．３７８０／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７５８Ｘ．２０１４．０３．０１０１引言统一Ｓ波段（ＵｎｉｆｉｅｄＳ－ｂａｎｄ，ＵＳＢ）测量系统是中国航天测控网的主体设备，承担并已完成了多种航天器的轨道测量任务。航天器与地面ＵＳＢ测站的通信必须穿过地球大气层才能够到达地面，信号传播的空间环境，包括温度、湿

3、度、气压和电子浓度等各种大气参数都会对无线电波信号的传播产生影响，因此为了提高观测数据的测量精度，必须补偿由于空间环境引起的时延等各种测量误［１－２］差。同时，ＵＳＢ测量设备本身存在仪器误差、天线相位中心误差、时标误差以及信号通道时延［３］等各种误差因素，如果在数据处理过程中没有进行修正，也将影响后续的定轨精度。随着中国航天技术的发展，对ＵＳＢ系统的测量精度要求越来越高。随着深空探测任务的开展，原有的ＵＳＢ测量数据的处理技术已经无法满足深空探测器的定轨精度要求。为了正确评估中国ＵＳＢ数据的精度，从而改进测量数据的处理方法，本文利用实际任务中的测量数据，对数据中存在的各种误差进行

4、精确建模和修正，对ＵＳＢ测距测速数据的精度进行了评估。２测距测速数据误差建模根据ＵＳＢ系统的测量原理，其测距测速数据的模型可表示为：（１）ρ０＝ρｃ＋Δρｔｒｏ＋Δρｉｏｎ＋Δρｔａｇ＋Δρｔｔｃ＋Δρｓａｔ＋ｃΔτ＋δρ＋νρ０＝ρｃ＋Δρｔｒｏ＋Δρｉｏｎ＋Δρｔａｇ＋Δρｓａｔ＋ｃΔτ＋δρ＋ｕ（２）式中ρ０为测距观测值，ρ０为测速观测值；ρｃ和ρｃ分别为测距测速的理论值；下标“ｔｒｏ”表示由对流层引入的测量误差；下标“ｉｏｎ”表示由电离层引入的测量误差；下标“ｔａｇ”表示观测数据时标偏差引入国家自然科学基金（１１１７３００５）资助项目收稿日期：２０１

5、３－０４－１０。收修改稿日期：２０１３－１２－２３６８中国空间科学技术２０１４年６月的测量误差；下标“ｔｔｃ”表示测站相位中心位置误差对应的测量误差；下标“ｓａｔ”表示航天器的相位中心相对航天器质心的位置偏差和转动速度引起的误差；$τ和$τ为星上转发器及地面信号通道的时延及时延变化率；δρ和δρ为测量数据中包含的其他一些系统误差；ｖ和ｕ为测量的随机误差。另外，在计算ρｃ和ρｃ时，航天器的星历误差将影响观测值的预测计算精度。２．１对流层误差修正建模对流层是电波传播的一个重要区域。对流层折射是ＵＳＢ测量中的主要误差源之一，其在天顶方向的时延大约为２．３ｍ，当仰角为１０°时最大

6、可达２０ｍ。如果在数据处理中不能进行准确修正，［４］将严重影响航天器的定轨精度。［５］对流层折射对测距的影响可以描述为Δρｔｒｏ＝ρＺｄｒｙＲｄｒｙ（Ｅ）＋ρＺｗｅｔＲｗｅｔ（Ｅ）（３）式中ρＺｄｒｙ和ρＺｗｅｔ分别是对流层干项和湿项分量引起的天顶方向距离修正；Ｅ是未经修正的仰角；Ｒｄｒｙ（Ｅ）和Ｒｗｅｔ（Ｅ）分别为将天顶方向的距离修正映射到视线方向的映射函数。由公式（３）可以看出，影响对流层折射修正精度的因素主要有天顶延迟的计算误差和映射函数的误差。此外，从目前各种修正模型的比较结果看，在高仰角时（２０°以上），天顶延迟的计算误差是主要因素，而在低仰角时，映射函数的精度至关重

7、要。由公式（３）对时间进行微分，并忽略对流层天顶延迟的时间变化，可得到瞬时测速的对流层修正公式：Δρｔｒｏ＝ρＺｄｒｙＲｄｒｙ（）ＥＥ＋ρＺｗｅｔＲｗｅｔ（）ＥＥ（４）ＥＥ式中Ｅ为仰角变化率。２．２电离层误差的建模和修正电磁波信号穿过电离层时，其传播速度会发生变化，变化程度主要取决于电离层中的电子密度和电磁波的频率；同时其传播路径也会略微弯曲，从而使得用信号的传播时间乘以真空中的光［６］速后所得的距离不等于从信号源至观测站的几何距离ρ。电离层延迟对ＵＳＢ测距的影响可［７］近似