KOMPSAT-5精密定轨系统的性能比较

抽象

韩国多用途卫星5号（KOMPSAT-5）2013年8月22日推出了配备有全球定位系统（GPS）接收器精密轨道确定（POD）。Even though the GPS receiver of KOMPSAT-5 shares the same heritage as the BlackJack receiver onboard in Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellites, KOMPSAT-5 has a lower orbital position accuracy (~10 cm) compared with GRACE (~2 cm). The reduced dynamic and kinematic methods are applied for POD of KOMPSAT-5 and GRACE to investigate the GPS observation quality due to the satellite operation concept and hardware design. The results are analyzed in terms of the number of observations and their spatial distribution, GPS signal quality, and orbital position accuracies. The results show that the frequent attitude maneuvers of KOMPSAT-5 affect the quality of the GPS signals and solutions obtained from the kinematic method compared with that determined from the reduced-dynamic method. The onboard patch GPS antenna installed in KOMPSAT-5 and its geometrical position resulted in more erratic measurement residuals by 140% compared with the choke ring antenna of GRACE. The POD accuracy is dependent on the hardware design and regular attitude tilting for the synthetic aperture radar (SAR) imaging even though the same GPS receiver performances.

1.简介

精确轨道确定(POD)在卫星任务中起着至关重要的作用，如大地测量、精确图像处理和地面轨道维护。对于重力恢复和气候实验(GRACE)、重力场和稳态海洋环流探测(GOCE)卫星等大地测量任务，轨道位置精度的规格已提高至几厘米[1，2]。车载全球定位系统（GPS）接收器是使得低地球轨道器（LEO）卫星以具有如此高的位置精度的关键要素。GPS接收机工作作为独立的系统，而无需任何理由干扰和给予持续的观察，可以提供实时位置信息。如果积累的观察与一个高保真软件处理，更精确的轨道位置可以比任何其他测量系统来实现。这些特性使其成为极具成本效益和有吸引力的遥感系统，现在POD基于GPS的观测是大多数低轨飞行任务的共同即使在轨道位置精度所需的水平不严格的情况下。

韩国多用途卫星(KOMPSAT-) 5是一颗为吊舱配备双频GPS接收器的卫星，用于卫星的二次任务。KOMPSAT-5于2013年8月22日发射升空，其轨道高度为550公里，倾角为97.6度。KOMPSAT-5由两个主要有效载荷组成:(1)Corea SAR仪器(COSI)和(2)大气掩星和精确定轨(AOPOD) [3]。COSI用于主要任务，它提供了高分辨率的合成孔径雷达（SAR）图像，并且获得地理信息和监视器的自然灾害。二次有效载荷（AOPOD）由用于POD和GPS掩星（RO）测量值的星载双频GPS接收机和复古激光反射器阵列（LRRA）的4]。KOMPSAT-5的GPS接收器是集成GPS和掩星接收机（IGOR），它是装备在挑战小卫星有效载荷（CHAMP），GRACE，和的TerraSAR-X [二十一点接收机的商业版本五]。然而，由于KOMPSAT-5的POD接收器主要集中于SAR成像和RO这两大任务，其所需的轨道精度约为20厘米[6，操作策略和卫星设计没有优化到达到cm级吊舱的精度。例如，专门用于大地测量任务的GRACE配备了一个扼流环GPS天线，以最小化多路径误差[五]。天线的物理形状也是不同的，如图1[7]。从CHAMP继承的GRACE有一个简单的没有翅膀的盒子形状，而KOMPSAT-5有一个用于SAR成像和太阳能电池板的雷达阵列。KOMPSAT-5执行时态度机动卫星SAR成像通过朝鲜半岛,这些态度动作的详细信息并不是向公众开放,而信息GRACE卫星天线等参考点,燃料消耗的质量,态度从星传感器解决方案公开发布的,它们用于提高POD的结果。基于这些差异，不能简单地假设KOMPSAT-5的轨道位置精度将与GRACE相同，即使这两颗卫星的GPS接收器具有相同的传统。因此，有必要对KOMPSAT-5的吊舱性能与GRACE等大地测量任务的结果进行研究和比较。

本研究的主要目的是研究基于gps的KOMPSAT-5豆荚的性能以及可能影响豆荚性能的因素。为此，对KOMPSAT-5的POD方法和结果进行了分析，并与GRACE进行了比较。GRACE被选为本研究的参考豆荚有几个原因。首先，GRACE的轨道特性，即。，五00 km of altitude and 89.0 deg of inclination, are similar to those of KOMPSAT-5 (550 km of altitude and 97.6 deg of inclination). Secondly, the GPS receivers of both satellites share the same heritage [五]。最后，GRACE的POD性能已经研究了很多年，它已被证明，GRACE有最好的POD精度之一[8，9]。GRACE卫星还配备有附加的大地测量仪器来测量星间和距离变化率，即，K波段测距（KBR）。然而，KBR系统有单颗卫星的POD没有贡献。因此，基于该POD只有GPS观测在这项研究中考虑。通过比较这两个系统中，基于POD的车载GPS系统和影响POD的性能可能的因素进行分析。

本文的其余部分组织如下。本节介绍了KOMPSAT-5卫星GPS测量的特点2。在第3和4中，POD方案和关于KOMPSAT-5的POD性能结果进行了分析，并与GRACE的比较。上KOMPSAT-5的天线类型和姿态的操纵的POD性能的影响也被介绍和讨论。最后，结论在第介绍五。

2. KOMPSAT-5 GPS观测的特点

KOMPSAT-5的IGOR GPS接收器配备用于两个主要目的：（1）确定所述卫星的精确轨道位置和（2）为大气研究GPS掩星信号的测量[4]。接收机由从四个天线的输入，其中两个输入端被用于POD而其它两个输入端48个通道的GPS用于无线电掩蔽[3]。两个无线电掩星天线位于航天器侧面，用于捕获来自水平方向的信号;，天顶方向)，如图所示2。Two types of measurements were made with different sampling rates: (1) 0.1 Hz (POD) and (2) 50 Hz (radio occultation). The primary difference between the KOMPSAT-5 and GRACE spacecraft is related with antenna type and geometrical location. First, the latter are equipped with a patch GPS antenna without a choke ring whereas the former is equipped with a choke ring. The choke ring-type antenna is particularly advantageous to mitigate multipath errors. Another important difference is the geometrical location of the antennas. The choke ring antenna used in the GRACE spacecraft is positioned in such a way to minimize signal blocking by the spacecraft itself (Figure1）。在KOMPSAT-5的情况下，两个POD天线位于顶层但安装在那里有很多与其他仪器的干扰如可在图中看到的位置2。此外，接收器不能识别哪个天线接收到GPS信号。因此，在POD过程中不能考虑每个GPS信号的相位偏移，其作用相当于测量噪声。

由于GPS天线的位置和类型KOMPSAT-5和GRACE之间的差别是显而易见的方位仰角GPS信号对2016年1月2日在映射图3。方位角-高程图如图所示3基于本地地平线和本地垂直框架，即，近地指向的航天器，而不姿态机动获得。有在KOMPSAT-5 GPS信号分布的大孔，并且因此，GPS天线是无法接近的150-240°方位角和10-40°升高获取信号。该孔是由几何问题如由航天器身体其他部位的物理阻断引起的。此外，还有从地平线，这很可能贡献的多径和态度倾斜采取SAR图像下方的大量信号。如前所述，KOMPSAT-5进行姿态机动定期一天2〜3次时在卫星经过朝鲜半岛以捕获SAR图像，这是卫星的主要调查。这些频繁的姿态机动以各种方式影响GPS信号的质量。具体地，GPS天线捕获的信号从在地平线附近，并将这些信号包含由于长的信号传播距离和大气的影响与从天顶方向相比更多的错误。的GPS观测的特性（具体地，每历元的观测数，的百分比被拒绝由于错误的观察，并且将所得测量残差）在后面的章节中进行了研究。

3.舱方案

用于KOMPSAT-5的POD的方法和过程，即，减小的动态（RD）和动态（KIN）的方法，在本节中介绍。使用相同的方案POD仅GPS数据被施加到GRACE卫星的轨道的精度比较和验证的目的。该POD解决方案是使用伯恩GNSS软件5.2版[实现11，该方法基于约化动力学方法，该方法使用了运动轨道方程的约化形式。因此，简化动态方法必须包含一个附加的参数估计来覆盖未建模的效果。一般来说,reduced-dynamic方法包括分段常数加速度(也称为pseudostochastic脉冲)状态变量来克服不足的太阳辐射压力和大气阻力摄动模型(在本研究中,我们使用传统舱方案没有考虑机载加速度计)。这些加速度设置为径向、沿轨道和交叉轨道三个方向。为了优化POD方法，还研究了随机脉冲密度的程度[12，13]。航天器的位置由运动学方法计算，最小二乘法仅用GPS逐历观测;因此，它不需要任何的卫星运动动力学;因此，结果肯定会受到GPS观测质量的影响。

在本研究中开发的POD过程包括四个步骤：（1）确定的初步轨迹，（2）屏幕和编辑离群观察，（3）使用所述减小动态方法估计最终轨道，（4）计算运动轨道使用相同的观测数据。该POD工艺应用于GRACE-A卫星，并将结果进行了验证由GRACE科学小组与正式发布的轨道比较的真相[14]。从降低动态和运动学方法获得的轨道位置也进行了比较，以验证所述POD的准确性和评估GPS数据的质量。

由于本研究的目的是调查KOMPSAT-5的分离舱性能，因此使用相同的分离舱方案来确定KOMPSAT-5和GRACE卫星的轨道位置。即两颗卫星的观测类型、采样间隔、伪随机脉冲频率和方向设置相同。POD方法的详细配置列于表中1。

所述POD方法应用于GRACE-A的GPS观测这是在GRACE任务双卫星之一。轨道位置，确定了六天，从2016年7月12日开始，而日期是任意选择的，因为并没有什么特别的事件。通过（1）的POD结果进行了验证比较比较正式产品解决方案从不同POD方法，如降低的动态和运动学方法，和（2）中获得的溶液。对GRACE-A的POD结果列于表2，随着观测的总数量。根均方（RMS）对表每个方向2用下式计算: 哪里是划时代和缩写RD和KIN的总数表示从缩小动态（RD）和动态（KIN）的方法，分别获得的解决方案。所计算出的RMS被投影于径向，沿轨迹，和跨轨道的方向。在这里，以科学的团队所产生的轨道被称为SCI。该RD-SCI代表的是降低动态和正式发布的解决方案之间的差异。

对于RD-KIN和RD-SCI来说，6天的3D轨道位置差异的平均均方根值分别为3 - 5cm和2 - 3cm。研究结果与之前有关GRACE的研究结果一致[2，17，18]。RD- sci的比较结果表明，本研究采用的RD方法定义良好，POD结果可以接受。因此，可以从RD-KIN的结果来研究信号本身的质量。KIN的测量残差比RD的测量残差好，因为运动学解完全是根据GPS观测结果确定的。图中GRACE-A的残图4从RD和KIN方法来实现也显示此功能。数字五显示GRACE-A卫星在2016年7月14日获得的RD-KIN和RD-SCI径向、沿轨道和交叉轨道方向的位置误差。很明显，随着RD-KIN的周期性变化，出现了更多的波动(图2)5(一个))与RD-SCI比较(图5 (b))，这可能是因为运动学位置直接反映了观测性质，而没有简化动力学方法的轨道运动方程等任何平滑效应。图中径向和沿磁道方向的周期性变化5(一个)指出有需要对动态轨道模型的作用和测量特性有更深入的了解[2]。

4.KOMPSAT-5和GRACE-A的POD性能分析

使用用于GRACE-A卫星相同的POD方案确定了KOMPSAT-5卫星的轨道位置。基于GPS的POD系统KOMPSAT-5的性能进行了研究，并与用于GRACE-A，这将在介绍和讨论本节中的结果进行分析。这些测试是六天，从2016年7月12日开始的这是相同的GRACE-A的情况下进行的。首先，在POD性能KOMPSAT-5的频繁姿态的操纵的影响通过比较从原始GPS观测，包括姿态机动周期和那些在姿态机动不包括GPS观测之后获得所获得两个POD结果进行测试。第二，天线类型的影响通过对KOMPSAT-5（没有扼流环）中获得的结果与对GRACE-A（与扼流环）比较研究。

4.1。姿态机动的影响。

KOMPSAT-5作为在卫星经过朝鲜半岛上述频繁执行姿态机动的SAR成像。态度演习的开始时间和结束时间，以及测量除去开始时间和结束时间总结在表3。的姿态机动的平均持续时间是大约44分钟，并且该调度是取决于倍在卫星经过朝鲜半岛上方的数量通常进行两次或三次。姿势操纵期间编辑GPS观测值（1）原始GPS观测值和（2）：为了检测在POD结果姿态的操纵的影响，该POD方法，使用两种类型的观测文件进行。在姿态机动采取的GPS观测结果一分钟内缘手动删除之前和实际演习时间之后。在姿态机动的POD结果KOMPSAT-5有和没有去除GPS观测汇总在表4和五， 分别。原料的数量和被拒绝的意见也列在表4和五。

平均移除的GPS观测值约为3500个，占总观测值的16%。从表中可以看出五期间姿态机动去除GPS观测对跨轨道为RD-KIN的均方根误差一个显著的效果，而效果是RD-SCI较小。因此，可以推断出，运动学方法（其完全是基于GPS观测，以确定卫星的精确轨道）易受由于姿态机动错误，即使存在预处理阶段到屏GPS由姿势操纵影响观测。The SCI solutions represent the orbit products calculated by the University Corporation for Atmospheric Research (UCAR) with an accuracy of 10 cm [19]。来自UCAR的POD解决方案是通过Bernese S/W作为无线电掩星处理的一部分，具体处理策略可参考[19]。而采用降动态方法的吊舱，通过估计经验加速度随轨道要素吸收姿态机动误差;因此，简化动力方法在不考虑机动过程中观测值的情况下仍能正常工作。这个结论也可以从图中看出6在图中绘制了2016年7月14日有和无姿态机动观测情况下的RD-KIN轨道对比结果图6（a）和图6（b）， 分别。该RD-SCI位置误差也在图图6（c）为了比较的目的。图中清楚地显示了交叉磁迹分量的两个峰值误差图6（a），并且这些异常的错误未在RD-SCI的情况下在图中所示图6（c）。姿态机动的位置及其对GPS信号的影响如图所示7，其示出了从GPS观测包括图的姿态机动获得RD-KIN的跨轨道误差图6（a）。厘米级的跨道位置差异被有意通过10倍缩放和改变单元，其程度，显示的偏差作为一个纵向如图偏移7。图中KOMPSAT-5的交叉跟踪误差有两个大的异常图6（a）也示于图7围绕朝鲜半岛与其他地区相比。

KOMPSAT-5和GRACE-A POD结果之间的最可区别的差异是观测值的数量。KOMPSAT-5的原始GPS观测值的数目比GRACE-A的由4000（〜16％）低。用于确定卫星的轨道最后观测的实际数量是从16000到17000，它比用于GRACE-A（约23000个观察值）低27％。因此，KOMPSAT-5的频繁的姿态机动对POD表演显著的效果。

4.2。天线类型和几何位置的影响

如前一节所示，KOMPSAT-5的总观测次数明显低于GRACE-A，尽管这两颗卫星有类似的GPS接收器。然而，GPS信号的整体质量也比GRACE的情况差。在本节中，通过调查测量残差，分析了这种质量差的最可能的原因。数字8示出由车载补丁跟踪的卫星的数目GPS KOMPSAT-5和GRACE-A的天线与主要是由于较大的测量残余观测的筛选号码的号码。这些数字显示在图图8（a）从原始观测数据而不操纵过程中除去的观察来实现。有在筛选观测次数因引起的姿态机动错误两个不同的峰。此外，原始观测的数量和KOMPSAT-5的筛选的观测数具有比在GRACE-A的情况下的较大的变化。首先，在跟踪卫星的数量的差异，可以理解的是，KOMPSAT-5的GPS天线的几何位置导致GPS信号的几何阻挡因为KOMPSAT-5的天线被安装在沿与所述航天器的顶侧其他传感器（图2）不像在其位于航天器的顶部，而不与其它仪器的任何干扰的情况下GRACE。其次，在筛选观测值的数目的差异与信号质量本身既KOMPSAT-5和GRACE-A。如可从图测量残差图中可以看出9，KOMPSAT-5的测量残差更大并且显示出比那些GRACE-A的更多的波动。当考虑到这两颗卫星有相同的接收器，这种差异最可能的候选人将是一个类型的天线，以及它的几何位置。KOMPSAT-5的贴片GPS天线是由于其紧凑的尺寸是有利的。然而，随着对GRACE-A卫星使用的扼流圈天线相比，该类型的天线容易受到多径误差。扼流环天线通常已知具有强度多径误差。Besides, the measurement residuals of kinematic solutions and reduced-dynamic method are about 6 mm and 10 mm for GRACE-A (Table2）和KOMPSAT-5（表4）， 分别。在一低仰角，GPS的KOMPSAT-5比那些GRACE由于天线位置的罕见观察。这种差别表明KOMPSAT-5具有GRACE-A相比较差的信号质量，如图9。可以清楚地观察到，KOMPSAT-5的测量残差更大并且比那些GRACE-A的更不均匀。因此，我们推断出的天线KOMPSAT-5及其几何位置使用的类型是飘忽不定的意见和KOMPSAT-5的低POD表现的主要原因。

5。结论

KOMPSAT-5卫星配备GPS接收器用于吊舱和无线电掩星研究，这是卫星的次要任务。本研究的目的是预测基于gps的POD系统的卫星的POD性能，其中POD不是KOMPSAT-5等卫星的主要任务。KOMPSAT-5的主要任务是获取SAR图像，并且在该任务中频繁地进行姿态机动。在KOMPSAT-5上安装了一个贴片GPS天线，以平衡其他有效载荷，这与GRACE卫星中使用的扼圈GPS天线不同。分析了天线类型和操作策略对吊舱精度的影响。本研究开发的POD方案应用于GRACE-A卫星的观测，GRACE-A卫星是用于大地测量任务的典型卫星。结果表明，与GRACE 1b级产品相比，可实现的轨道定位精度为2-3 cm。利用还原动力学方法确定了KOMPSAT-5的轨道位置，并与UCAR释放的产物进行了比较。轨道位置差的均方根误差约为10 cm，在姿态机动过程中不受GPS观测数据的影响。但是，由于排除了姿态机动期间的观测结果，简化动力学方法和运动学方法的轨道位置差异从50厘米提高到25厘米。 Therefore, it can be concluded that the GPS signals of KOMPSAT-5 are influenced by attitude maneuvers. The position and type of GPS antenna also affect the GPS signals of KOMPSAT-5, where the number of observations per day of KOMPSAT-5 is ~80% of that for GRACE-A and the actual number of observations used for POD after screening is ~70% of that for GRACE-A. This discrepancy is primarily due to the fact that the operational strategy and design of the KOMPSAT-5 satellite are not optimized for POD with a high accuracy. The results of this study showed that the actual performance of the GPS-based POD system is dependent on the operational strategy and hardware design of the mission.

数据可用性

用于支持本研究结果的KOMPSAT-5和GRACE数据已存放在KASI储存库(ftp://aopod-ftpkasi.re.kr)和NASA (https://podaac.jpl.nasa.gov/dataset/GRACE_L1B_GRAV_JPL_RL03）。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

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