Principles of Orbit Improvement and Generation of Ephemerides for the Global Positioning System Satellites

Abstract

The ephemerides that describe the orbits of the Global Positioning System (GPS) satellites represent the solution of the equations of motion of the satellites. They require initial conditions (position and velocity) and a model which describes the forces that govern the motion of the satellites. A small offset in the initial conditions may cause hundreds, or even thousands, of metres of error in satellite position after a few days of integration. To minimize this problem, the initial conditions, plus some parameters of the force field, must be adjusted through a process known a orbit. improvement. The improved initial conditions can then be used for the generation of the post-fitted ephemerides. This paper focuses on the orbit improvement and generation of ephemerides for GPS satellites. In our analysis, we processed GPS data from a network of North American stations contributing to the global network of the International GPS Service for Geodynamics (IGS). To obtain a measure of achieved accuracy of the geodetic network solution, we have compared the resulting baselines with published International Earth Rotation Service Terrestrial Reference Frame 1992 (ITRF92) values, and our improved orbits with the IGS orbits.

Keywords: global positioning system; orbit improvement; satellite positioning.

PRINCÍPIOS DE REFINAMENTO DE ORBITAS E GERAÇÃO DE EFEMÉRIDES PARA OS SATÉLITES DO SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL

As efemérides que descrevem a órbita dos satélites GPS representam uma solução particular das equações de movi- mento. A solução destas equações requer condições iniciais (posição e velocidade, agrupados no chamado vetor de estado inicial) e um modelo que descreva as forças que governam o movimento dos satélites. As condições iniciais têm que ser consistentes com a órbita a ser gerada. Uma pequena diferença nas condições iniciais pode acarretar erros na posição dos satélites da ordem de quilômetros após alguns dias de integração. Para minimizar este problema, as condições iniciais, bem como alguns parâmetros do modelo de força (por exemplo, os parâmetros da pressão da radiação solar) devem ser ajustados dentro de um processo aqui chamado de refinamento de órbitas. Neste contexto, as condições iniciais e os parâmetros do modelo de força constituem os parâmetros orbitais. No procedimento de refinamento de órbitas, os parâmetros orbitais são estimados usando observações coletadas por estações cujas coordenadas sejam conhecidas, ou que sejam estimadas junto com os parâmetros orbitais. As condições iniciais ajustadas podem então ser utilizadas para a geração das órbitas dos satelites GPS. Este artigo se ocupa do refinamento e geração de órbitas para os satelites GPS. As órbitas são determinadas usando-se dados de uma sub-rede do Serviço Internacional GPS para a Geodinâmica (IGS), composta por estações no Canadá e EUA. A partir desta solução, órbitas regionais são geradas, e comparadas com as órbitas do IGS. Uma avaliação da precisão externa do ajustamento desta rede é possível através da comparação das bases ajustadas com os valores publicados do referencial ITRF92 (International Earth Rotation Service Terrestrial Reference Frame 1992).

Palavras-chave: sistema de posicionamento global; refinamento de órbitas; posicionamento por satélites.