“嫦娥4号”中继星任务轨道确定问题初探

"嫦娥4号"任务将采用着陆器、巡视器和绕飞地月拉格朗日L2点中继星进行月球背面的探测,中继星已先期发射,进入环绕地月L2点的晕(Halo)轨道。在中继星使命轨道动力学模型的基础上,通过相关仿真工作,开展了中继星在Halo轨道上的摄动源量级及影响定轨预报的主要因素分析,结果表明:太阳光压摄动是其主要影响因素。为降低其相关影响,提高定轨精度,在太阳光压球模型的基础上,结合中继星在轨运行特点及其星体结构特点,提出了一种求解光压等效面积的方法。经仿真分析,使用修正后的太阳光压球模型进行定轨求解,速度精度可提升约一个量级。     

基于代理模型的卫星编队重构最短距离建模

针对编队卫星成员数量较多时,编队重构规划考虑碰撞规避会带来的巨大的计算开销。为降低计算开销和提升优化效率,基于CW方程和双脉冲轨道机动策略,建立了能够快速预测编队卫星重构过程最短距离的多种代理模型,并基于三种大小不同的训练集,从模型精度和效率两方面进行了对比。结果表明,克里金（KRG）模型在各种代理模型中精度最高,而且随着训练量的增加,克里金和人工神经网络（ANN）模型的性能得到了明显改善,模型精度有一定的保证。研究还发现,尽管KRG模型预测时间高于其他代理模型,但和真实模型相比,其耗时仍然很短,因此可用于提高考虑避碰约束时卫星编队重构轨迹优化的效率。     

卫星编队飞行动力学仿真及其应用

由若干颗小卫星编队飞行组成一个虚拟卫星,其功能相当或超过一颗大卫星,这将开拓小卫星一个完全崭新的应用领域。文章首先研究轨道动力学,系统地研究编队飞行三种动力学模型,其次进行定位卫星和区域导航系统两个实例数学仿真,分析研究各种数学模型的精度和它们的应用场合。     

一类由星下点反算卫星近圆回归轨道的方法

提出了一类近圆回归轨道的设计方法,解决当飞行任务对星下点有要求时,近圆回归轨道的设计问题。分析了星下点轨迹与轨道参数的关系,概括为当对星下点轨迹有要求时,近圆回归轨道的设计依赖于轨道半径和轨道倾角两个参数的确定。以轨道半径和轨道倾角为未知量依据星下点轨迹要求条件构建了非线性方程组,但直接求解过于复杂,采取迭代的方法解决。编制了MATLAB程序进行设计计算,并将计算结果用软件STK(Satellite Tool Kit)进行仿真。仿真结果显示,该算法能够较好的实现设计目标。     

同步轨道通信卫星占频保轨现象分析与实测

为了应对国际电信联盟对卫星频轨资源的相关规定,卫星运营商可能会选择将卫星送至另一个不同的轨位并连续保持90天来启用该位置的频率指配.这种变轨行为称作"占频保轨",是一些同步通信卫星的常规操作.本文以国际通信组织的INTELSAT系列卫星为研究对象,基于双行根数(TLE)和SGP4/SDP4模型计算了 67个INTELS...     

基于GLONASS星历的预报轨道的误差分析

推导了协议地球坐标系下的卫星运动方程.通过分析由GLONASS(Global Navigation Satellite System)广播星历参数确定的卫星预报轨道的拟合精度,指出了摄动力模型的简化、积分器的选择,以及忽略了极移影响等因素是引起拟合误差的主要因素,其中摄动力模型的简化起最主要的作用.通过对卫星轨道运动方程积分30?min,可知由摄动力模型的简化、积分器和忽略极移影响等因素引起的拟合误差分别为0.827?m,0.224?m和0.025?m.要提高预报轨道拟合的精度,关键是要对摄动力简化特别是地球引力摄动高阶项的截断以及日月引力场简化造成的轨道预报精度损失加以控制.     

Orbit determination of BeiDou navigation satellite system maneuvered satellites based on instantaneous velocity pulses parameters

The BeiDou navigation satellite system (BDS) comprises geostationary earth orbit (GEO) satellites as well as inclined geosynchronous orbit (IGSO) and medium earth orbit (MEO) satellites. Owing to their special orbital characteristics, GEO satellites require frequent orbital maneuvers to ensure that they operate in a specific orbital window. The availability of the entire system is affected during the maneuver period because service cannot be provided before the ephemeris is restored. In this study, based on the conventional dynamic orbit determination method for navigation satellites, multiple sets of instantaneous velocity pulses parameters which belong to one of pseudo-stochastic parameters were used to simulate the orbital maneuver process in the orbital maneuver arc and establish the observed and predicted orbits of the maneuvered and non-maneuvered satellites of BeiDou regional navigation satellite system (BDS-2) and BeiDou global navigation satellite system (BDS-3). Finally, the single point positioning (SPP) technology was used to verify the accuracy of the observed and predicted orbits. The orbit determination accuracy of maneuvered satellites can be greatly improved by using the orbit determination method proposed in this paper. The overlapping orbit determination accuracy of maneuvered GEO satellites of BDS-2 and BDS-3 can improve 2–3 orders of magnitude. Among them, the radial orbit determination accuracy of each maneuvered satellite is basically better than 1 m. simultaneously, the combined orbit determination of the maneuvered and non-maneuvered satellites does not have a great impact on the orbit determination accuracy of the non-maneuvered satellites. Compared with the multi GNSS products (indicated by GBM) from the German Research Centre for Geosciences (GFZ), the impact of adding the maneuvered satellites on the orbit determination accuracy of BDS-2 satellites is less than 9 %. Furthermore, the orbital recovery time and the service availability period are significantly improved. When the node of the predicted orbit is traversed approximately 3 h after the maneuver, the accuracy of the predicted orbit of the maneuvered satellite can reach that of the observed orbit. The SPP results for the BDS reached a normal level when the node of the predicted orbit was 2 h after the maneuver.     

精密GPS卫星钟差的改正和应用

分析了GPS卫生钟差的变化特性，探讨了利用GPS地面跟踪站的观测数据估算GPS卫星钟差的可行性，建立了相应的算法和软件系统，并把由地面跟踪站的实测数据估算的卫星钟差用于星载GPS定轨计算，得到优于1m的定轨精度。     

基于BP神经网络的纳卫星轨道温度预测

为了实现纳卫星在轨温度的预测,在对纳卫星热系统动态特性模型分析的基础上,建立BP神经网络预测模型实现纳卫星在轨温度的预测.通过分析纳卫星热系统动态特性模型,得到用于BP神经网络预测模型的输入、输出变量以及训练神经网络所需的数据样本.BP神经网络预测模型分别以纳卫星外壳、辐射器、舱内仪器的热流及温度值为神经网络输入、输出,预测纳卫星10s后的轨道温度.经验证,神经网络预测模型预测结果与纳卫星实际轨道温度吻合较好,表明神经网络预测模型是快捷有效的.      

Orbit determination and prediction of GEO satellite of BeiDou during repositioning maneuver

In order to establish a continuous GEO satellite orbit during repositioning maneuvers, a suitable maneuver force model has been established associated with an optimal orbit determination method and strategy. A continuous increasing acceleration is established by constructing a constant force that is equivalent to the pulse force, with the mass of the satellite decreasing throughout maneuver. This acceleration can be added to other accelerations, such as solar radiation, to obtain the continuous acceleration of the satellite. The orbit determination method and strategy are illuminated, with subsequent assessment of the orbit being determined and predicted accordingly. The orbit of the GEO satellite during repositioning maneuver can be determined and predicted by using C-Band pseudo-range observations of the BeiDou GEO satellite with COSPAR ID 2010-001A in 2011 and 2012. The results indicate that observations before maneuver do affect orbit determination and prediction, and should therefore be selected appropriately. A more precise orbit and prediction can be obtained compared to common short arc methods when observations starting 1 day prior the maneuver and 2 h after the maneuver are adopted in POD (Precise Orbit Determination). The achieved URE (User Range Error) under non-consideration of satellite clock errors is better than 2 m within the first 2 h after maneuver, and less than 3 m for further 2 h of orbit prediction.     

基于多项式近似的空间碎片群体轨道预报算法

快速准确地分析空间碎片群轨道演化行为对于其他在轨航天器碰撞规避至关重要。在各摄动力的作用下,空间碎片群演化运动呈现出复杂的非线性特征。空间碎片群体个体数量巨大,如果通过对空间碎片群中每个空间碎片进行轨道积分来分析群体预报的方法会导致计算量过大。针对该问题,提出一种基于多项式近似的轨道快速预报分析方法。该方法将空间碎片群分为少量的标称碎片和其他大量关联碎片。针对标称碎片的轨道预报采用数值积分求解保证预报精度;而针对其他大量的关联碎片轨道预报问题,采用多项式泰勒展开半解析方法求解,从而在保证预报精度的前提下有效减少空间碎片群轨道预报的计算量。为了验证方法的有效性,对不同空间碎片群进行了轨道预报仿真。仿真结果表明,当轨道预报精度设定在1m范围内时,多项式近似算法的计算量较蒙特卡洛方法计算效率提高了2.2~17.2倍,验证了所提出方法的有效性。     

近圆低轨卫星星座相位保持方法

主要研究无轨道高度保持要求的近圆低轨卫星星座相位保持方法.首先根据轨道摄动理论，推导了考虑J2摄动和大气阻尼摄动的卫星相位漂移模型，分别给出基于固定基准星和基于虚拟基准星的相位偏差两种表达方法.在此基础上，按照星座各星轨道衰减一致和不一致两种情况，分别提出两种表示方法理论的和考虑实际控制误差的相位保持策略.通过一个walker星座仿真算例验证了两种方法的有效性.仿真结果显示，两种方法在各星轨道衰减一致和不一致两种情况均可有效完成相位维持任务，当各星轨道衰减一致时两种方法在控制次数和控制总量上无明显差异；在各星轨道衰减不一致情况下，基于固定基准星的相位保持策略更优.     

The YORP effect on the GOES 8 and GOES 10 satellites: A case study

The Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddack (YORP) effect is a proposed explanation for the observed rotation behavior of inactive satellites in Earth orbit. This paper further explores the YORP effect for highly asymmetric inactive satellites. Satellite models are developed to represent the GOES 8 and GOES 10 satellites, both of which are currently inactive in geosynchronous Earth orbit (GEO). A simple satellite model for the GOES 8 satellite is used to analyze the short period variations of the angular velocity and obliquity as a result of the YORP effect. A more complex model for the rotational dynamics of the GOES 8 and GOES 10 satellites are developed to probe their sensitivity and to match observed spin periods and states of these satellites. The simulated rotation periods are compared to observations for both satellites. The comparison between YORP theory and observed rotation rates for both satellites show that the YORP effect could be the cause for the observed rotational behavior. The YORP model also predicts a novel state for the GOES 8 satellite, namely that it could periodically fall into a tumbling rotation state. Recent observations of this satellite are consistent with this prediction.     

分布式SAR超分辨成像的卫星编队构形优化设计方法

编队构形设计是分布式卫星系统总体设计的关键问题,提出了一种编队构形优化设计方法。针对主星带辅星群体制分布式合成孔径雷达(SAR)超分辨率任务,从优化系统效能的角度出发,将满足超分辨性能的时间比率和分辨率改善因子作为编队构形优化设计的目标函数,以基线矢量为中间变量,建立了目标函数与编队卫星轨道根数的关系,并采用遗传算法求解。对不同卫星数目的编队系统进行了优化设计仿真,并与干涉车轮和钟摆编队构形方案进行了分析比较,数值结果验证了该优化设计方法的有效性和正确性。该设计方法还可改变优化目标函数,以适应用户的任务要求。     

星载GNSS确定GEO卫星轨道的积分滤波方法

采用星载全球导航卫星系统（GNSS）确定地球静止轨道（GEO）,以解决目前应用星载全球定位系统(GPS)时导航卫星可见性差的问题。以风云卫星为例,分析了未来的GNSS相对于GEO卫星的可见性,针对GEO轨道上导航接收机采样间隔较长的问题,综合轨道积分和卡尔曼滤波方法的优点,提出了确定GEO卫星轨道的积分滤波方法。并利用STK软件仿真产生所需数据,用MATLAB对提出的算法编程并进行仿真验证,结果表明,提出的方法性能优越,定轨精度较高。     

基于光学测角数据的风云四号同步轨道卫星精密定轨

针对风云四号同步卫星的精密定轨和精度评估需求,首先利用地面光学测角数据对FY-4A卫星进行精密定轨,定轨后方位角和高度角的残差rms分别为0.25＂和0.45＂。与基于测距数据的轨道相比,位置精度在有测角数据的弧段内小于50m。进一步联合测角数据和测距数据对FY-4A卫星进行联合定轨,定轨后轨道重叠精度优于15m。利用联合定轨结果评估了基于测距数据的实时轨道产品精度,可以明显发现轨道精度随着测距数据的积累而逐步提高。     

一种同步卫星授时方法的再探讨

通过对原有测轨和预报方案的改善,对共视时差法时刻比对的进一步研究.实验结果表明: 采用现在的测轨和预报方案,时刻比对的事后处理精度与以前相当,优于1,但预报精度比以前有了较大提高,对卫星轨道预报1星期,相应的时刻比对精度也基本可保持在1μs以内.      

编队飞行队形设计一般化方法

首先 ,在合理的假设条件下 ,基于运动学关系推导了环绕卫星相对参考卫星的相对运动方程 ;然后 ,给出了编队飞行队形设计一般化方法的具体计算公式 ,利用此方法 ,能在参考轨道为圆或椭圆轨道的情况下 ,直接求出编队中所有卫星的轨道参数 ;最后 ,给出了两个编队队形设计的算例     

全电推进卫星轨道优化的推力同伦解法

全电推进卫星的入轨过程是一个典型的多圈小推力轨道优化问题，由于其推力器加速度小，变轨圈数多，造成其最优理论解的求解较困难。为解决该问题，利用最优控制理论建立了全电推进卫星变轨优化的间接法模型，将变轨优化问题转化为协态变量初值猜测的两点边值问题。从大推力问题开始，通过遗传算法获得大范围猜测值并结合系列二次规划方法获得大推力的精确解。采用推力同伦思想，使用逐渐缩小推力的方式完成小推力问题的求解。仿真算例表明，采用推力同伦的方法，通过数十次的推力缩减即可有效解决多达上百圈变轨的静止轨道全电推进卫星入轨优化问题。     

导航卫星的地面站定轨算法

导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分,而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此,研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测,将导航卫星钟差参数作为状态量,推导了滤波算法的状态方程、测量方程,并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导航卫星为例进行了2天的仿真试验,考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断,并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明,4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级,钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级,并且在滤波中断后重启滤波器,仍然可以达到此估计精度,表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。