GEO卫星定轨可视化软件设计

景月娟，乔荣川，冯初刚



GEO卫星定轨可视化软件设计

景月娟1,2,3，乔荣川1,2，冯初刚4

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院研究生院，北京 100039；4. 中国科学院上海天文台，上海 200030）

介绍了基于Windows系统开发的GEO卫星定轨可视化软件，该软件是采用Microsoft Visual Studio 2005软件平台，利用Visual Basic.NET编程技术开发设计的，具有预处理观测数据资料、解算GEO卫星精密轨道、分析和图形化轨道解算结果等功能。该软件界面友好、可操作性强、方便省时，有效地提高了GEO卫星定轨工作效率。

GEO卫星；轨道确定；可视化软件

卫星定轨对国防建设、国民经济发展以及科学研究等方面都具有十分重要的意义[1]，同时GEO卫星精密定轨是我国卫星导航系统的关键技术之一，它直接影响卫星导航系统的定位精度。总之，GEO卫星精密定轨软件在卫星导航乃至航天事业中的地位举足轻重。

日常运行使用的高精度卫星定轨软件运行于Solaris系统（UNIX操作系统的衍生版本之一），该软件对平台的依赖性较强以及属于命令式操作等不利因素制约了其在更多领域的推广。为此，进行了把精密定轨软件从UNIX平台移植到Windows平台下的研究工作[2]。移植到Windows平台下的精密定轨软件的计算结果令人满意，定轨软件运行时间明显缩短，数据计算精度也达到了要求。但是不管在UNIX平台还是在Windows平台下，在使用高精度卫星定轨软件定轨前后，需要手动运行其他软件对原始观测资料进行预处理或者对运算结果数据进行分析、图形化等，因而费时费力、工作效率低下，且有时会因人为因素而不可避免地导致一些错误。因此，需要在将卫星定轨软件移植到Windows平台下的基础上进一步开发GEO卫星定轨可视化软件，使进行卫星定轨的一系列操作一体化、友好化和便捷化。

1 软件简介

GEO卫星定轨可视化软件是基于Windows平台下的高精度卫星定轨软件，在Windows XP系统下开发出的一个软件。该软件采用Microsoft Visual Studio 2005软件平台，利用Visual Basic.NET开发语言进行开发设计，它适用于所有对GEO卫星进行定轨的工作，具有实现高精度卫星定轨软件操作可视化、网络连接自动化和结果图形化等功能，且操作界面友好、外表直观、简洁，可操作性强，使操作人员一目了然。该软件系统主要包括数据预处理、数据自动下载、定轨软件可视化操作、定轨结果数据处理、绘图以及数据文件的管理等部分。软件系统整体设计框架如图1所示。

图1 软件整体框架

2 软件主要功能

下面介绍GEO卫星定轨可视化软件的几个重要功能。

2.1 数据预处理

卫星定轨用到的伪码测距和光学测角原始观测资料中不但包含多种系统差，而且还可能含有错误数据，因此一般不能直接加以应用[3]，必须经过处理后才能用于定轨中。定轨观测数据资料预处理模块的主要功能是把原始观测数据资料中的无效资料、野值以及错误数据资料等一一剔除，同时把有效的数据资料转化成全新的、特定的、统一的数据格式。这一功能是通过Shell函数，调用用FORTRAN语言预先编好的程序文件来实现的。具体地说，对于光学测角资料是通过界面操作调用测角资料数据转换软件来实现以上功能的，对伪码测距资料是通过资料数据预处理软件可执行文件来完成以上任务的。然后通过调用排序软件，对初步整理好的数据资料按照观测时间进行排序。经过上述步骤后，就可以得到供卫星定轨软件进行定轨计算所需要的特定的数据格式资料。该功能模块使定轨数据资料转化一体化，便于使用。

2.2 自动下载数据

用定轨软件进行卫星定轨时，如果输入文件中的行星历表或者地球自转参数过期，定轨软件将无法顺利运行，需要对行星历表或者地球自转参数进行更新。自动下载数据模块就是为此而开发设计的，利用超文本传送协议（hyper text transfer protocol，HTTP）和文件传送协议（file transfer protocol，FTP），分别下载地球自转参数和行星历表文件。利用Download（下载）方法可以连接到任何使用这2种协议的站点，并通过FileExists函数检索要下载的文件是否存在。在登录到地球自转参数文件所在的http站点和卫星星历文件所在的FTP服务器后，分别下载所需要的地球自转参数文件和行星历表文件到本地指定的路径上。对于下载的地球自转参数文件还需要通过界面操作调用格式转化软件进行数据格式转换，最后才形成卫星定轨所需要的具有正确格式的地球自转参数输入文件。该功能模块为提高定轨软件自动化水平打下了基础。

2.3 可视化定轨

为保证卫星定轨软件顺利运行，除了要有特定格式的正确数据资料外，还需要数个必要的正确的初始化输入文件。通过可视化定轨功能模块，可以在定轨软件运行前，对输入文件进行检查，同时可以修改初始轨道、运行模式、力学模型、观测模型和待估参数等。如果确定输入文件是正确的，可以通过界面的执行按钮，开始运行卫星定轨软件。可视化定轨模块设计实现了通过重定向功能，把定轨软件运行过程中产生的过程文件保存到特定的路径中的功能。当定轨软件成功运行结束后，可以通过界面的结果浏览按钮，对产生的过程文件和其他结果文件进行浏览，以便对定轨结果进行有效分析和处理。

2.4 结果处理

卫星定轨软件成功执行结束后，生成了许多结果文件，例如结果报告和残差等数据文件。为了对定轨结果做进一步了解和分析，一般需要绘制轨道残差图或者轨道位置偏差图。绘制残差图时可以直接操作界面，通过调用定轨结果残差数据文件，完成轨道残差图的绘制；而为成功绘制轨道位置偏差图，需对结果中的报告数据文件进行必要的转换处理。通过编程技术实现对两个不同的轨道的结果报告数据文件分别进行处理，生成地固坐标系数据文件和惯性坐标系数据文件，再把两个分别生成的地固坐标系数据文件进行比较，产生在地心轨道平面坐标系中、、三维方向上的位置偏差文件。然后可以通过界面操作调用生成的位置偏差文件，绘制轨道位置偏差图。通过图示可以更直观地了解轨道的拟合程度或者轨道之差大小，同时可以把图示保存起来，以备后用。

2.5 文件管理

该部分主要是针对以上几个功能模块执行过程中产生的文件（如卫星定轨程序运行后产生的计算结果文件、过程文件和残差文件以及下载的行星历表文件和地球自转参数文件等）过期情况所设计的。经过长时间的积累，文件数量大，占用空间，同时易混淆，通过该模块软件可以清除过期文件。其删除文件方式主要有自动和手动2种，自动删除是将选定的部分文件一次性全部删除；手动删除是对部分文件有选择性地删除，即针对用户的选择有目的性地删除。

3 软件使用算例

选用2005年6月6日由伪码测距系统5个观测站提供的伪码测距资料作为数据资料，对鑫诺-1卫星的1 d观测数据进行计算。

执行GEO卫星定轨可视化软件的可执行文件，出现如图2所示的进入系统的登陆界面。输入正确的帐号及密码，点击登陆按钮，就可以顺利进入该软件的主界面（图3）。该界面主要由数据处理、文件下载、程序运行、结果处理以及过期文档删除等部分组成。

图2 软件操作登陆界面

图3 软件主界面

在算例中，我们进行的操作步骤包括：1）对原始数据资料进行预处理；2）检查修改定轨输入数据文件（地球引力场文件、初始化文件、星历表文件和ERP序列文件等）；3）启动卫星定轨程序进行定轨，解算卫星轨道，浏览分析定轨结果文件；4）对卫星定轨结果文件中的残差文件进行分析，同时绘制残差图；5）轨道对比：在参考系、测量模型和摄动模型选取及求解参数的设置完全相同的情况下，对根据预处理后的数据资料（每秒一组数据）解算得到的轨道与根据对每30s时段的预处理后数据资料进行二次多项式拟合得到的数据资料（每30 s一组数据）而解算得到的卫星轨道进行对比[4]。对比步骤为：①分解处理结果报告文件；②求解卫星轨道之差；③绘制轨道之差图。通过以上步骤，可以得到的主要输出文件有计算结果文件和残差文件。

利用GEO卫星定轨可视化软件解算2005年6月6日鑫诺-1卫星轨道，产生的计算结果文件即过程文件示于图4。由过程文件可以得知：1）程序初始化输入文件内容：①卫星的初始状态、先验协方差；②运行模式选择（包括处理方式、迭代次数、弧段个数等）；③力学模型选择；④积分器选择（包括积分器类型、步长、积分时间等）；⑤观测模型选择（包括观测类型、台站坐标等）；⑥待估参数的选择（包括动力学参数与几何参数）；⑦打印文件选择等；2）每一弧段历元时刻的卫星状态与协方差（初始、估计值）；3）欲求参数的估计值及其协方差；4）每一弧段各台站观测情况及其观测残差均方差；5）每一弧段总的观测残差均方差[5]。图5为卫星定轨残差图，该图表明残差值不超过0.5m；图6给出了上述操作步骤5中2种卫星精密轨道之差，其中轨道横向分量之差不超过2cm，轨道法向分量之差不超过2 cm，轨道径向分量之差不超过1 cm。

图4 解算卫星轨道所得的过程文件

图5 鑫诺-1卫星2005年6月6日精密定轨的残差（O-C）

图6 2种轨道之差

通过以上对GEO卫星定轨可视化软件的整体框架、主要功能、运行步骤及典型算例的介绍可知，该软件能比较好地对观测资料进行预处理、下载文件、解算GEO卫星精密轨道、处理解算轨道结果数据文件以及图形化轨道结果等，使有关人员更直接地了解解算卫星轨道的计算过程和结果，有效地对解算所得的卫星轨道进行分析。

4 结语

GEO卫星定轨可视化软件的界面设计友好、简洁实用、操作简单、功能基本完善，可以使操作者轻松、高效地进行观测数据资料处理、自动化下载数据文件和软件运行模式、力学模型、积分器、观测模型、待估参数等选择以及解算轨道结果查看和分析等。该软件充分考虑了可操作性、便捷性以及自动化性，提高了进行GEO卫星精密定轨的工作效率，为提高卫星定轨的整体自动化水平打下了基础。

致谢 GEO卫星定轨可视化软件工作过程得到了弓剑军、陈亮、雷辉和胡珍源的热心帮助，在此向各位表示衷心的感谢！

[1] 李志刚, 杨旭海, 李伟超, 等. 转发器式卫星测轨方法[J]. 时间频率学报, 2006, 29(2): 81-89.

[2] 景月娟, 张会彦, 乔荣川. 卫星定轨软件的移植与测试分析[J]. 时间频率学报, 2010, 33(22): 146-154.

[3] 许华冠, 冯初刚. 人卫激光测距资料的压缩处理和统计分析[J]. 测绘学报, 1988, 17(2): 87-92.

[4] 景月娟, 李志刚, 乔荣川, 等. GEO卫星测距资料的压缩方法研究[C] // 第二届信息、电子与计算机工程国际学术会议论文集. 山东: 第二届信息、电子与计算机工程国际学术会议组委会, 2010.

[5] 黄珹. 利用Lageos激光测距资料精密确定地球自转参数[D]. 上海: 中国科学院上海天文台, 1985.

A design of visualization softwareof GEO satellite orbit determination

JING Yue-juan1,2,3, QIAO Rong-chuan1,2, FENG Chu-gang4

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China;4. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China)

This article describes a visualization software of GEO satellite orbit determination, which is developed in the Windows system by adopting the Microsoft Visual Studio 2005 software platform and using the Visual Basic.NET programming technique. This software can pre-process observation data, compute GEO satellite orbit with high accuracy, analyze and plot the calculated results of satellite orbit, etc. Furthermore, this software has virtues such as friendly interface, high operability, convenience and time-saving, so as to improve the efficiency of GEO satellite orbit determination.

GEO satellite; orbit determination; visualization software

TN967.1

A

1674-0637(2011)01-0060-06

2010-09-30

国家自然科学基金资助项目（10573018，10873014）

景月娟，女，硕士研究生，主要从事卫星定轨软件研究。