基于激光实时跟踪测量的航天器编队相对位置测量方法

为了解决编队航天器间相对位置的高精度测量，实现航天器编队自主飞行，提出基于激光实时跟踪测量航天器间相对位置的测量定位方法，建立了航天器间相对位置测量的数学模型。该测量方法在直角坐标系下用Hill方程建立编队航天器相对运动模型，得出航天器相对运动轨迹的解析解，在极坐标系下建立航天器间相对位置的激光跟踪测量模型，将激光跟踪测量系统的测量值转换到直角坐标系，对转换误差进行去偏差补偿，利用卡尔曼滤波方法进行数据处理，以提高航天器间的相对位置测量精度。仿真结果表明，若对于测距精度为5厘米，测角精度为0．1度的激光跟踪测量系统，采用去偏差转换测量卡尔曼滤波方法，航天器空间相对位置精度可达到厘米量级。     

GPS技术用于编队卫星状态整体确定方案设计

编队卫星的控制和应用需要确定编队卫星的运动状态,包括卫星绝对的和相对的位置、姿态以及钟差.本文设计联合利用GPS和一种类似GPS的载波相位和伪码交联测距技术的方案,快速实现星间GPS载波相位差分的整周模糊度的确定,进一步提高相对状态确定的精度,使相对位置精度达到厘米级、相对姿态角精度达到角分级.     

DORIS系统自主在轨实时定轨的实现与精度分析

国家科技重大专项高分辨率空间对地观测项目的实施,对卫星平台的自主在轨实时定轨提出了新的需求。由法国发展的DORIS实时定轨系统虽已成功应用于多个对地观测平台,但该系统从未公布其原始数据和数据处理的技术细节,因此本文尝试利用DORIS地面主控站提供的ENVISAT标准格式多普勒数据,假设星上自主定轨时采用相同的数据,基于卡尔曼滤波算法实现（仿真）自主实时定轨。计算表明仅考虑简单的非球形引力模型,对于位置误差1km,速度误差1m/s的初始条件,2小时后滤波趋于稳定,滤波精度为十米量级,速度精度为厘米每秒级。为提高滤波计算效率,对坐标系统转换进行简化后,定轨精度仍在十米量级。基于DORIS仿真测量数据滤波计算表明,随着测量精度的提高和每圈观测弧段的增加,滤波计算的精度也会得到有效提高。     

220GHz频率步进雷达测距的实验研究

频率步进雷达是一种典型的高分辨雷达,它可以通过瞬时窄带合成宽带实现距离向的高分辨的同时降低A／D和其他设备的负担。文章介绍了220GHz频率步进雷达的工作原理和测距的方法,并对不同距离处的角反射器进行探测。实验结果表明,太赫兹雷达对角反射器距离向的探测距离精度可以达到厘米量级;同时,还对太赫兹雷达的探测距离进行了验证,最远探测距离可达35m。     

航天器自旋对测轨数据影响的修正方法

从测量原理上分析了航天器自旋对地基无线电测轨数据的影响,提出了测距和多普勒测速自旋影响修正方法,该方法也可用于估算航天器天线安装位置与自旋轴的距离。利用修正方法对嫦娥二号地月转移飞行段的地基测距与多普勒测速数据进行处理,解算的嫦娥二号天线安装位置精度在厘米量级。使用修正后的测距和多普勒测速数据,并融合时延与时延率测量数据,进行定轨计算,结果表明,使用修正后的测轨数据对事后定轨计算有近50m的精度提高。     

DOR测量自适应模型重构算法与实验验证

针对"金星快车"(Venus Express,VEX)探测器大时延、快变化的轨迹特点,提出了一种基于侧音信号相频特性的自适应模型重构算法。该方法极大增强了参考模型精度恶化情况下算法的适应性与稳定性。基于"金星快车"DOR观测实验的数据分析,通过与欧洲航天局提供的事后高精度星历轨道对比,结果表明数据处理算法时延精度优于ns量级,时延率精度优于1ps/s量级。     

星载晶振短稳对导航增强系统PPP精度的影响分析

分析星载恒温晶振（Oven Controlled Crystal Oscillator，OCXO）短稳对导航增强系统精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）精度的影响。本文首先介绍了OCXO短期频率稳定度的概念，然后根据其短稳特性进行噪声反演，最后建立了基于OCXO短稳噪声反演的系统PPP定位模型，将短稳量级不同的OCXO反演噪声引入模型并对系统最终PPP定位精度进行分析比较。实验表明：在无控制段调校星上时频的情况下，选用短稳量级为E-13的OCXO在中长观测时间段内（<1 000 s）可满足系统厘米级的定位需求。该分析可为低轨导航增强系统的时频指标设计提供一定参考。     

同波束VLBI技术在深空探测器测定轨中的应用

同波束VLBI技术即用射电望远镜的主波束同时接收两个探测器发送的信号,得到两个探测器信号的相关相位并在探测器间进行差分,去掉电离层、大气及观测装置的绝大部分影响,得到超高精度的差分相时延。差分相时延数据能准确反映两个探测器相对位置及其变化,可用来提高两个探测器的绝对和相对定轨定位精度。对同波束VLBI技术的基本原理及其在国内外深空探测器测定轨中的应用进行综述和展望。比如,我们利用同波束VLBI技术把嫦娥三号巡视器相对定位精度提高至1米,并有望把嫦娥五号轨道器和上升器的定轨精度提高至10米量级,把火星环绕器定轨精度和火星车定位精度提高至数百米等。     

高低轨双星时频差无源定位精度

高低轨卫星联合定位是提高地面辐射源无源定位精度的有效方法。从时差基线、速度差增加方面分析了高低轨双星定位精度相对同轨卫星定位精度高的原因,推导出高低轨双星时频差定位误差分布表达式,分析了高低轨联合定位适用的时频差测量方法及其测量精度。仿真分析结果表明:在低轨卫星星下点附近较大范围内,定位精度达到百米量级。验证了双星相对位置变化、时频差测量误差、高低轨卫星自身位置速度测量误差等因素对高低轨双星定位精度的影响。     

用于微振动测量的高精度加速度传感器标定方法

微振动试验中所用的加速度传感器简称高精度加速度传感器,其相比于常规加速度传感器测量量级很低,可以达到10-5g量级甚至更低,用常规的加速度动态标定技术无法实现该量级水平的标定,也无从验证其测量精度的准确性。针对高精度加速度传感器测试精度的标定难题,文章提出在气浮台上设置比对梁的方法,通过激光测振仪和高精度加速度传感器对同一测点进行测量,并将两者的测量结果进行比对分析,以标定高精度加速度传感器的低量级测试精度。同时设计试验对手头现有的微振动加速度传感器进行标定以验证该方法的有效性,试验结果表明:利用激光测振仪标定现有高精度加速度传感器得到的比对结果符合预期;高精度加速度传感器测得的时域波形及频域波形与激光测振仪测得的基本一致,比对偏差在10%左右,满足标定方法要求。     

卫星编队飞行相对轨道的确定

卫星之间相对轨道的确定对于多颗卫星编队飞行的控制和任务是十分重要的。结合空间圆形的编队飞行星座，本文给出了描述卫星近距离运动的C-W方程，讨论了空间圆形的编队卫星星座的构成，进而设定了利用激光仪测量星间位置矢量，并设计了Kalman滤波器来实现相对轨道的确定，分析和仿真结果表明，Kalman滤波器能够有效提高相对位置确定精度并给出相对速度的高精度估计。     

分布式航天器相对轨道确定方法

根据航天器相对运动的C-W-Hill方程建立的动态模型,以及基于无线电测量方案建立的相对距离观测模型,提出了一种用扩展卡尔曼滤波(EKF)确定分布式航天器相对轨道的方法。用STK、Matlab软件进行的仿真验证结果表明,该方法可确定分布式航天器相对位置和相对速度,所获解的精度较高。     

同步轨道共位卫星差分CEI测量技术

同步轨道卫星共位是指在一个地球同步轨道±0．1°的窗口上放置2颗或2颗以上的卫星。文章介绍了同步轨道卫星多星共位的必要性和差分连接端站干涉测量的原理,对同步轨道共位卫星位置测量精度进行分析,得出结论：差分连接端站干涉测量技术能够满足同步轨道共位卫星位置测量的要求。     

星光折射航天器自主定轨方案比较

当星光透射大气发生折射时 ,用星光折射角精确地反映星光在大气中离地球表面的高度 ,并建立高度、航天器与地球的几何关系。通过对折射角进行观测 ,间接测得地平 ,从而改善了用地平仪直接测地平所造成的航天器自主导航精度低的不足。本文提出了几种利用星光折射的航天器自主定轨方案 ,并作了细致的仿真实验 ,对直接和间接两种测量地平方法以及几种星光折射自主定轨方案进行了分析比较。     

NPF算法在X射线脉冲星导航中的应用研究

针对X射线脉冲星导航中航天器模型的强非线性、高阶模型不确定性等问题,提出应用非线性预测滤波(NPF)算法实时估计航天器的轨道信息。首先,建立具有模型不确定性的X射线脉冲星导航定轨指标函数,优化得到满足指标函数最小的系统模型误差值,通过降低模型不确定性的影响来提高航天器自主定轨精度。对STK生成的“火星探路者”和“金星快车”及“北斗一号”三种航天器轨道数据进行分析,仿真结果表明,该算法比EKF算法具有更高的定轨精度,能够满足深空以及近地轨道航天器的自主定轨精度指标要求。     

面向空间目标相对轨道确定的编队优化方法

针对提高空间目标相对轨道确定精度的问题，研究了在主航天器轨道运动受限时，通过设计和优化辅航天器相对轨道要素的航天器编队优化方法。首先，介绍了基于扩展卡尔曼滤波的双视线测量相对轨道确定方法；之后，通过研究双视线测量下的空间目标定位误差变化规律，得到了减小定位误差的角度条件；然后，通过分析该角度条件和辅航天器相对轨道要素的关系，设计并采用遗传算法优化了辅航天器相对轨道；最后，数学仿真结果表明，设计的编队可保证目标相对位置估计误差收敛，优化后的编队可使目标相对位置估计误差减小至0.3 km且不超过1.2 km。     

基于EKF容错滤波方法的编队卫星相对轨道自主确定

为避免因卫星测量野值导致的相对轨道估计与滤波精度下降,提出了一种基于残差正交性的扩展Kalman滤波（EKF）容错滤波算法的编队卫星相对轨道确定方法。根据卫星相对运动与相对位置量测方程,用残差序列方差的迹实现对野值的剔除及在线修正,保证滤波器有较强的鲁棒性、稳定性和精度。仿真结果表明：该法简单、有效,有较高的理论和工程应用价值。     

基于星历拟合的短弧运动学定轨

当导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,传统的统计定轨理论难以实现精密定轨。首次提出 了基于10参数星历拟合的短弧运动学定轨方法,建立和推导了相应的理论模型和定轨解算方 法。其优点在于不仅能够反映卫星运动的物理学特征,提高了速度和轨道预报精度,而且不 需要累积数据,实现近实时快速计算,克服了动力学法定轨发散和单点定位无法获得速度信 息的不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10分钟短弧运动学定轨的位置精 度优于10 m,速度精度为2 cm／s,预报5分钟轨道精度为15.02 m,满足了短弧跟踪条件下R DSS对轨道精度的要求,实现了卫星精密定轨。
     

三星时差定位系统的目标定位精度分析

根据三星时差定位原理推导了目标定位精度模型;分析了目标定位精度与轨道高度、轨道高度差、卫星编队构形、目标位置、时差精度、卫星相对位置精度、绝对位置精度等因素之间的关系;得出了一些对工程研制有指导意义的结论。