摘要：衛(wèi)星重力測量技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于地球重力場的反演具有劃時(shí)代的意義，是當(dāng)今大地測量領(lǐng)域的研究前沿和關(guān)注熱點(diǎn)之一，我國目前在該領(lǐng)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(duì)定位與定時(shí)在重力衛(wèi)星K波段測距系統(tǒng)(KBR)微米級(jí)測距中的作用，給出了利用雙頻 GPS相對(duì)定位與定時(shí)結(jié)果修正KBR測距的方案，并通過仿真實(shí)際應(yīng)用對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表該方案可達(dá)到重力衛(wèi)星測量的要求。
關(guān)鍵詞：重力衛(wèi)星；K波段測距系統(tǒng)(KBR)；雙頻；相對(duì)定位；定位精度
地球重力場是地球的一個(gè)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(yùn)動(dòng)，決定了大地水準(zhǔn)面的起伏和變化，地球重力場的精確測量對(duì)大地測量、地球物理、地球動(dòng)力學(xué)和海洋學(xué)等學(xué)科的發(fā)展具有極其重要的意義。衛(wèi)星重力測量技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于地球重力場的測量具有劃時(shí)代的意義，是當(dāng)今大地測量領(lǐng)域的研究前沿和關(guān)注熱點(diǎn)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(shù)的發(fā)展，近年來在地球重力場研究方面所取得的成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出過去30年的總和。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的衛(wèi)星測高技術(shù)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(shí)利用雙頻 GPS定位、測時(shí)結(jié)果修正KBR測距，使得測距精度達(dá)到幾十微米，距離變率測定精度達(dá)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(duì)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(shù)也在重點(diǎn)攻關(guān)之中。為此，文章主要介紹雙頻GPS接收機(jī)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(jìn)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(jì)劃提供工程參考。
1 測量系統(tǒng)組成
整個(gè)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(jī)、K／Ka雙波段(24／32 GHz)測距系統(tǒng)和高精度的時(shí)鐘等(每顆衛(wèi)星上搭載的GPS接收機(jī)和KBR的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)采用同一個(gè)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(duì)兩星之間的距離進(jìn)行測量。與此同時(shí)，A星和B星利用其各自的可視GPS導(dǎo)航星進(jìn)行絕對(duì)定位與定時(shí)，再通過共視GPS導(dǎo)航星進(jìn)行相對(duì)定位與定時(shí)，并利用GPS相對(duì)定位與定時(shí)結(jié)果修正KBR測距，使其測距精度達(dá)到微米級(jí)。
2 GPS定位結(jié)果修正KBR測距
2．1 KBR雙向測距及時(shí)間同步誤差
重力衛(wèi)星A和B間通過KBR系統(tǒng)進(jìn)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(shí)時(shí)刻t對(duì)重力衛(wèi)星B載波信號(hào)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(shí)標(biāo)；CA(tr)、CB(tt)分別為重力衛(wèi)星A和B在信號(hào)接收時(shí)刻和發(fā)射時(shí)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(shí)刻的鐘漂。鐘漂對(duì)KBR相位的影響僅僅發(fā)生在信號(hào)發(fā)射至接收這一時(shí)段 (r≈0．7 ms)，只要鐘漂達(dá)到10-10，就可以達(dá)到1／1000周的測相精度，因此，影響測相精度的主要誤差是時(shí)標(biāo)ttA、trB的同步誤差。
2．2 雙頻GPS觀測量修正KBR測距誤差
對(duì)重力衛(wèi)星星座而言，為滿足幾百公里空間分辨率的重力場測定精度，要求兩顆衛(wèi)星之間的測距精度可達(dá)到幾個(gè)微米。衛(wèi)星的KBR采用32．7／24．5 GHz頻率信號(hào)(波長約1 cm)，為此，測相精度必須達(dá)到千分之一周(1／1 024)。經(jīng)調(diào)制后的差頻信號(hào)分別為502和670 kHz，為保證1O-4周的測相精度，定時(shí)精度應(yīng)達(dá)到10-4／670 kHz=150 ps(O．15 ns)，這一精度對(duì)在軌振蕩器而言幾乎是不可能的。利用IGS產(chǎn)品，采用精密定軌(POD)技術(shù)，可確定KBR測量的絕對(duì)時(shí)標(biāo)和衛(wèi)星的位置，位置精度可達(dá)到2～3 cm，測時(shí)精度可達(dá)到0．1 ns，可滿足KBR時(shí)標(biāo)的要求，因此，GPS地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是KBR達(dá)到微米級(jí)精度的關(guān)鍵技術(shù)之一。重力衛(wèi)星星載GPS接收機(jī)承擔(dān)的主要任務(wù)在于：
1)利用GPS確定的載體衛(wèi)星厘米級(jí)精度攝動(dòng)軌道恢復(fù)長波長項(xiàng)的重力場；
2)利用GPS絕對(duì)定時(shí)結(jié)果消除星載振蕩器的長期鐘漂；
3)利用GPS相對(duì)定時(shí)結(jié)果校準(zhǔn)K波段測距的同步誤差，精度為0．1 ns(3 cm)。
總體上，相對(duì)定位和相對(duì)定時(shí)采用事后處理方案，以GPS雙頻載波相位觀測值為基本觀測量，輔以載波相位平滑偽距，動(dòng)力學(xué)平滑等多種處理手段，獲得模糊度固定坐標(biāo)解。首先對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測，修正載波相位可能發(fā)生的周跳，剔除具有粗差的觀測值。以一天觀測弧段為處理單元，前后延伸3 h，即前一天21：00至第二天的3：00，共30 h，以便內(nèi)插GPS衛(wèi)星IGS精密星歷。
采用載波相位相對(duì)定位的關(guān)鍵是正確確定整周模糊度，采用整數(shù)解可以提高坐標(biāo)解的穩(wěn)定性和精度。但是，為了消除電離層誤差，必須采用L3組合，而L3不具備整數(shù)解。測相偽距雙差觀測方程(以距離表示)可以化為：
