基于测速定轨的轨道参数精度分析

利用误差传播关系,比较了测速体制下逐点定轨算法和多项式定轨算法的精度,为多项式和样条算法在测速定轨体制中的应用提供理论依据。利用逐点及多项式算法对两条典型轨道进行性能计算,结果表明:多项式算法能获得比逐点算法更高精度的轨道参数,且该算法数据结构简单、具有一定的实时性。     

多站连续波跟踪雷达的测速定轨研究

连续波跟踪测量系统中,测距元通道通常存在较大的系统误差,并且有时出现个别测元数据质量较差,不能应用的情况,而其变化率及其多站测速系统提供的测速数据,精度较高,且测元多,是否可以利用测速元数据直接定轨,精度如何,在实际数据处理及应用中具有重要意义。文章对利用测速元进行航天飞行器定轨进行了详细的研究和大量的计算,获得了相应的理论和计算结果,通过比较,提出了利用样条函数非线性估计轨道的方法,并提供了具体的算法和相应的误差估计公式。理论分析和计算结果表明：该方法轨道估计精度高,成功地解决了测速定轨问题,在实际中有广泛的应用价值。     

环火星测量数据处理及精密轨道确定

为支持我国首次火星探测任务取得圆满成功，宇航动力学国家重点实验室将全自主开发的精密定轨平台系统，应用于环火星轨道确定中。为满足多对象、多弧段、多中心天体的定轨需求，平台系统设计了卫星结构、测站结构、观测结构和天体结构4大基础结构，并在4大基础结构之上，设计了灵活的弧段结构和估计结构。为验证平台系统是否具备环火星定轨能力，平台系统首先使用2020年上半年跟踪火星快车实验的数据对测量模型进行了检核，得到了理论测距和实测测距偏差（11m~21m）；其次，使用2009年实测双程测速和三程测速数据定轨，单独使用双程测速定轨，轨道与欧空局精密星历位置偏差最大不超过100m，测速残差的均方根（Root Mean Square, RMS）为0.0137(cm/s)。使用三程测速定轨，位置偏差不超过250m，三程测速RMS为0.0119（cm/s）；最后，使用两天三站测距仿真进行了自定轨验证，初轨和随机差都基本收敛回仿真初值。结果显示，宇航动力学国家重点实验室精密定轨系统能够满足我国首次火星探测任务的基本需求。     

基于Bayes统计模型的卫星融合定轨方法研究

根据目前天基导航系统现状,结合中国对低、中轨卫星精密定轨的要求,给出了天地基信息融合定轨的原理;结合卫星待估融合参数的先验信息,提出了基于Bayes统计模型的卫星精密定轨方法;在卫星观测的线性化融合模型中引入观测噪声,利用概率估计融合模型,根据Bayes理论进行卫星状态改进量的最大后验估计,并分析了Bayes估计方法的定轨精度;依据期望融合的待估改进量方差最小规则建立了相应的参数求解算法;最后以导航融合测控系统中测距和测速数据的融合定轨为例进行了仿真实验,表明该融合方法能够得到很好的定轨效果。     

空间引力波探测器轨道确定及仿真分析

针对空间引力波探测器的精密轨道确定问题,选取LISA(Laser Interferometer Space Antenna)作为研究对象,建立了探测器的目标仿真环境,模拟生成美国深空网(Deep Space Network,DSN)和中国深空网(China Deep Space Network,CDSN)在不同测站下的测距测速数据,采用非线性加权最小二乘(Weighted Least Squares,WLS)和蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)分析跟踪弧长、测轨数据类型、测站数量及其分布等因素对LISA探测器定轨精度的影响。仿真结果表明:①增加测站的定轨弧长,可有效提高轨道确定精度,当跟踪弧段达到20 d时,探测器位置确定精度可达92 m;②在现有测量精度条件下,测距信息对定轨精度的贡献较大,测距/测速组合定轨方式与仅利用测距、测速定轨相比,估计的位置精度分别提高了32.23%、99.52%;③采用多测控网定轨模式可以提高多站共视比率,有利于提高定轨精度和收敛速度,DSN/CDSN联合定轨比仅采用DSN定轨的平均位置精度提高43.73%。     

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GPS伪距的微小卫星定轨技术研究

高可靠、高精度、低成本的全自主导航是现代微小卫星定轨领域的发展方向,GPS以其在成本、精度、功耗等方面的独特优势,在低轨航天器上得到应用。论文采用GPS伪距作为观测量,在可见星较少的情况下仍可得到观测信息,较GPS直接输出提高了导航精度,并能进一步降低硬件成本。还引入了衰减记忆滤波算法,通过调节协方差矩阵,削弱了历史量测信息对当前数据融合的贡献,从而减小了轨道摄动对定轨精度的影响。仿真结果表明当导航星数目较少时,该算法仍可实现信息融合,且显著提高了定位精度。     

基于机动力模型的GEO卫星恢复期间定轨

北斗卫星导航系统(BDS)中GEO卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导 航服务需求提出了更高要求, 如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速 恢复能力, 是提升导航系统服务精度的关键因素. 针对该问题, 本文提出了基 于机动力模型的动力学定轨方法, 尝试利用高精度的C波段转发式测距数据, 辅 以机动期间的遥测遥控信息建立机动力模型, 联合轨控前后的观测数据进行动 力学长弧定轨. 利用BDS中GEO卫星实测数据进行了定轨试验与分析, 结果表明, 恢复期间需要采用解算机动推力的定轨方法, 联合机动前、机动期间和机 动后4h数据定轨的轨道位置精度在20m量级, 径向精度优于2.5m. 该方 法克服了短弧跟踪条件下动力学法定轨和单点定位中的诸多问题, 提供了解决 GEO卫星机动后轨道快速恢复问题的技术方法.      

联合北斗导航与星间链路的大椭圆卫星定轨方法

传统的地面测控和GNSS均无法实现HEO卫星全弧段的跟踪观测.在分析北斗导航信号及其星间链路信号对典型HEO的观测几何及覆盖特性的基础上,利用北斗导航及其星间链路对HEO测控支持形成互补的特点,提出了一种卫星导航与星间链路相结合的自主导航方法.对HEO定轨进行分段划分并基于EKF设计了卫星导航与星间链路数据融合定轨的自主导航算法.分析结果表明,本文提出的方法能够从全弧段上改善HEO的观测几何,定轨精度比仅使用卫星导航提高了2个数量级,并且仅需较少的星间链路资源.      

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。     

RadioAstron orbit determination and evaluation of its results using correlation of space-VLBI observations

A crucial part of a space mission for very-long baseline interferometery (VLBI), which is the technique capable of providing the highest resolution images in astronomy, is orbit determination of the mission’s space radio telescope(s). In order to successfully detect interference fringes that result from correlation of the signals recorded by a ground-based and a space-borne radio telescope, the propagation delays experienced in the near-Earth space by radio waves emitted by the source and the relativity effects on each telescope’s clock need to be evaluated, which requires accurate knowledge of position and velocity of the space radio telescope. In this paper we describe our approach to orbit determination (OD) of the RadioAstron spacecraft of the RadioAstron space-VLBI mission. Determining RadioAstron’s orbit is complicated due to several factors: strong solar radiation pressure, a highly eccentric orbit, and frequent orbit perturbations caused by the attitude control system. We show that in order to maintain the OD accuracy required for processing space-VLBI observations at cm-wavelengths it is required to take into account the additional data on thruster firings, reaction wheel rotation rates, and attitude of the spacecraft. We also investigate into using the unique orbit data available only for a space-VLBI spacecraft, i.e. the residual delays and delay rates that result from VLBI data processing, as a means to evaluate the achieved OD accuracy. We present the results of the first experience of OD accuracy evaluation of this kind, using more than 5000 residual values obtained as a result of space-VLBI observations performed over 7 years of the RadioAstron mission operations.     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

给出了地心引力场中受控航天器相对目标航天器运动的推力加速度随时间线性变化时Hill方程的解析解，根据Hill方程导出了受控航天器相对目标航天器运动的比动能方程，并讨论了比动能方程在上述两天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

密集测向资料轨道改进的条件方程和加权处理

利用密集测向资料可以处理出测向速率的特点,本文提出了同时建立测向和测向速率条件方程进行轨道改进的新方法,并辅之加权处理,这对提高测轨精度是有利的,可供实际工作参考。     

跟踪空间非合作目标的一种相对轨道确定方法研究

研究近地轨道卫星沿航向跟踪空间非合作目标的相对轨道确定问题。首先给出以追踪星与非合作目标轨道根数差分描述的相对运动方程;其次根据星间测量几何关系对应的测量方程,提出一种新的基于两步估计的相对轨道确定方法;最后通过数学仿真验证了收敛速度快于扩展卡尔曼滤波,并对初始状态的选取不敏感,具有一定鲁棒性。     

无动力自动着陆轨道的鲁棒性分析

文中定义了能量梯度的概念,作为评价能量积累和消耗能力的指标。针对跨大气层飞行器对象特性的特点,重点讨论了气动参数的不确定性存在时的着陆点性能、整个下滑轨道容许的气动参数的不确定性范围和对初始动压的抑制能力,结果表明下滑轨道具有较好的鲁棒性。     

编队飞行卫星群构型保持及初始化

导出了基于相对轨道要素的编队飞行卫星群轨道相对运动控制的轨道机动方程；提出了编队飞行卫星群轨道相对运动控制的轨道机动控制策略，利用不同方向的脉冲控制相对运动的轨道参数，包括轨道平面内机动和轨道平面外机动控制。根据相对轨道要素的变轨机动控制，进行编队飞行卫星群构型的初始化。这样的构型初始化可以视作一次特殊的变轨机动控制，很容易实现编队飞行构型的初始化机动。     

Improving the low orbit satellite tracking ability using nonlinear model predictive controller and Genetic Algorithm

The satellite motion on the reference orbit (RO) with less energy consumption has always persuaded researchers to design optimal control systems. The nonlinear nature and time-varying equations of motion make this quest more challenging. The present study proposes a novel control system for satellite motion on the RO by considering a comprehensive model of its dynamics in orbit and a Nonlinear Model Predictive Controller (NMPC). The NMPC calculates the sub-optimal control inputs of satellite motion reference on the elliptic orbit by minimizing a convex cost function at each stage. Moreover, all weighting parameters of the cost function are optimized by the Genetic Algorithm (GA) to produce less perturbation and guarantee the best NMPC performance. Finally, the implemented NMPC has been compared to a Linear MPC (LMPC). The results show that not only can the NMPC resist against larger errors and perturbations, but it can also compensate for those errors by returning the satellite to its main orbit and maintaining it.     

Galileo real-time orbit determination with multi-frequency raw observations

Real-time GNSS-based applications require corresponding real-time orbit products. While traditional GNSS orbits are generated with the dual-frequency IF (Ionosphere-Free) model, the increase of multi-frequency signal satellites brings new challenges for the data processing. Therefore, real-time orbit determination with the multi-frequency UC (Uncombined) model is introduced in this study considering its flexibility. With the derived mathematical model conforming to IGS (International GNSS Service) dual-frequency clock definition and one-week triple-frequency Galileo observation data from 90 IGS network stations, the convergence and accuracy of real-time orbits is assessed and the characteristics of satellite IFCB (Inter-Frequency Clock Bias) are analyzed. Results indicate that the model differences, including dual-frequency IF model, dual-frequency UC model and triple-frequency UC model, contribute to only cm-level differences with CODE (Center for Orbit Determination in Europe) final orbits after a convergence time of around 12 h. The constellation-mean RMS (Root Mean Square) differences of the converged real-time orbits with the CODE final orbits reaches about 5.0 cm, 7.0 cm and 5.0 cm for the radial, tangential and normal directions. The convergence of satellite IFCB is much faster than that of satellite orbit, which reflects a loose correlation between these two parameters. While the Galileo satellite IFCB are temporally stable, the modeling of satellite IFCB may be unreliable when over constrained and becomes even more unstable with commonly encountered datum changes. In summary, real-time GNSS orbit determination with multi-frequency raw observations is feasible and extendable with proper treatment of IFCB.     

圆及椭圆轨道释放绳系子星的方法研究

研究绳系卫星系统质心沿椭圆轨道运动时，子星释放的最佳初始条件，运用变量替代简化动力学控制方程；对圆轨道运动的母星，采用轨道转移方法释放子星，计算弹射变轨参数及过渡轨道终了真近点角。本文取消母星质量远大于子星质量的假设，考虑子星释放过程中绳系卫星系统质心随子星运动的变化，所得结果更具有普遍意义。数值模拟结果表明，所述方法的有效性。