GPS相对定位在重力卫星KBR测距中的应用

　　地球重力场是地球的一个基本物理场，重力场及其变化反映了地球表层及其内部的物质分布和运动，决定了大地水准面的起伏和变化，地球重力场的精确测量对大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等学科的发展具有极其重要的意义。卫星重力测量技术的应用对于地球重力场的测量具有划时代的意义，是当今大地测量领域的研究前沿和关注热点之一。常规的重力场确定方法主要依靠地面重力观测，地面观测周期较长，且占地球四分之三的海洋重力数据缺乏，确定重力场的精度受到限制。随着空间定位技术的发展，近年来在地球重力场研究方面所取得的成就远远超出过去30年的总和。20世纪80年代出现的卫星测高技术较大地提高了重力场的确定精度，如著名的EGM96模型。2000年7月由德国GFZ发射的重力卫星GHAMP，迈出了卫星重力测量的重要一步。2002年3月由美国宇航局和欧洲联合发射的低跟踪卫星GRACE，采用KBR双向测距，同时利用双频 GPS定位、测时结果修正KBR测距，使得测距精度达到几十微米，距离变率测定精度达到0.1 μm/s。此外，欧洲空间局也在2009年3月份成功发射了GOCE重力梯度卫星，卫星重力测量得到了空前的发展。但是，我国目前对重力卫星的研究处于起步阶段，重力卫星星间高精度测距技术也在重点攻关之中。为此，文章主要介绍双频GPS接收机在重力卫星星问高精度测距中不可或缺的作用，并提出一种利用双频GPS观测量进行修正KBR测距的工程化方案，为我国后期的卫星重力探测计划提供工程参考。

　　1 测量系统组成

　　整个重力卫星星座由两颗相距200 km，轨道高度500 km的卫星组成，每颗卫星都搭载了高精度双频GPS接收机、K/Ka双波段(24/32 GHz)测距系统和高精度的时钟等(每颗卫星上搭载的GPS接收机和KBR的时间标准采用同一个振荡器)如图l所示。两星间精密测距的基本思路是：首先利用K波段测距系统(KBR)对两星之间的距离进行测量。与此同时，A星和B星利用其各自的可视GPS导航星进行绝对定位与定时，再通过共视GPS导航星进行相对定位与定时，并利用GPS相对定位与定时结果修正KBR测距，使其测距精度达到微米级。

　　2 GPS定位结果修正KBR测距

　　2.1 KBR双向测距及时间同步误差

　　重力卫星A和B间通过KBR系统进行精密双向测距，其测距原理如下。

　　重力卫星A在理想真实时刻t对重力卫星B载波信号的观测量可以表示为：

　　式中，trA、trB分别为重力卫星A和B的KBR时标;CA(tr)、CB(tt)分别为重力卫星A和B在信号接收时刻和发射时刻的钟差;dCA(tr)、dCB(tr)分别为重力卫星A和重力卫星B在接收时刻的钟漂。钟漂对KBR相位的影响仅仅发生在信号发射至接收这一时段 (r≈0.7 ms)，只要钟漂达到10-10，就可以达到1/1000周的测相精度，因此，影响测相精度的主要误差是时标ttA、trB的同步误差。