星载加速度数据在动力学定轨中的应用

　　1　引言

　　根据牛顿第二运动定律,低轨卫星在惯性系下的运动方程可描述成卫星初始状态的向量,摄动力模型参数以及时间等变量的复杂函数[1, 2]。随着卫星跟踪技术精度的不断提高,如何精确描述卫星的摄动力模型成了动力学定轨最为关键的因素之一。依据摄动力的性质,可分为保守摄动力和非保守摄动力。前者因存在位函数,经过近几十年的研究及精化,已取得了较高的精度,而后者因受多种因素的影响,如大气密度、卫星质量、外形、材料等,通常具有随机性,从而难以精确描述。鉴于此,前人提出了对非保守力摄动进行替代的思想。替代的方法主要有两种:一种是自动补偿模式,即将卫星设计成无阻尼卫星, 2009年将要发射GOCE卫星将验证该模式;另一种是精密测量模式,即利用高精度的星载加速度计,精密测定作用在卫星上的非保守力,在数据处理时利用星载加速度计观测数据替代所有的非保守力摄动加速度,已经实施的CHAMP、GRACE卫星即是该种模式[3]。本文研究星载加速度数据在动力学定轨中的处理方法和流程,并通过对重力卫星CHAMP和GRACE的定轨,分析和验证该方法取得的定轨精度是否精确。

　　2　加速度数据在定轨应用中的处理方法

　　星载加速度计测量的是飞行卫星在仪器上固定坐标系(IFX)下3个坐标轴方向所受的非保守力加速度,包括大气阻力、太阳辐射压、地球辐射压、卫星姿态和轨道调整的喷火推力等。要利用它准确替代卫星在惯性系下运动方程的非保守力摄动,还需要经过数据标校和坐标框架转换这两个主要处理步骤。

　　2.1　加速度偏差和尺度因子的标校

　　利用星载加速度计的技术难点是加速度计必需严格安装在卫星的质心位置上(仅允许0. 1 mm的误差),并且在卫星进行姿态和轨道喷火调整后仍然要求保证这一精度的要求。由于加速度计存在安置的误差以及加速度仪本身就存在系统误差等因素的影响,使得观测数据并不能直接用来代替非保守力摄动的大小,而需要对任一瞬间的观测加速度进行改正,这个过程称为数据的标校。其实现公式为[4]:

　　式中i=1,2,3分别对应x,y,z3个坐标方向,aicorr为经过标校后的加速度,aibias表示偏置改正,ki为尺度修正因子,aimeas为未标校的加速度数据。德国地学研究中心(GFZ)已对CHAMP和GRACE卫星上的加速度原始观测数据进行了标校处理。通常用户只需根据数据文件中提供的标校参数按式(1)加以修正就可使用。但考虑到GFZ仅对加速度数据进行了初步预处理,所以在定轨应用中还需对偏置参数和尺度因子进行再次标校。具体实现方法是:除了估计卫星的6个初始状态矢量外,同时还应增加6个加速度标较参数(3个偏差参数: Acc_Bx, Acc_By,Acc_Bz; 3个尺度因子:Acc_Kx,Acc_Ky,Acc_Kz)[5]。表1列出了对2003年9月20日CHAMP和GRACE卫星加速度数据经再次标校的结果。