北斗导航卫星姿态与轨道控制技术发展与贡献

通过总结北斗一号卫星到北斗三号卫星的发展过程，梳理了北斗导航卫星姿态与轨道控制技术的发展变化，以及在引领卫星姿轨控技术进步和星载器部件自主可控方面取得的成就.同时，根据下一代北斗卫星导航系统的论证需求，分析给出了未来导航卫星姿轨控系统需要关注与研究的关键技术.     

静止轨道卫星东西位置保持控制参数的优化方法

为提高静止轨道卫星东西位置保持的轨道控制精度,提出一种优化轨道控制参数和推进剂消耗量估算的方法.这种方法考虑卫星轨道机动期间其姿态控制喷气对卫星轨道的摄动力,据此对位置保持参数中的轨控推力器点火时间进行补偿,并根据所有推力器的喷气时间估算推进剂消耗量,以修正轨控策略,实现更加精准的轨道控制效果.以在轨运行的静止轨道卫星的多次向西位置保持的变轨参数优化过程为实例,验证本方法的有效性和正确性,可应用于后续静止轨道卫星东西位置的实际操作中.     

星下点轨迹恒定的低轨星座构型设计方法

为探寻适用于低轨巨型星座的构型设计方法,提供了一种所有卫星共星下点轨迹,且该轨迹固定不变的低轨恒定轨迹星座构型解析设计方法。该构型用回归因子、卫星总数两个参数进行编码。首先,利用平均轨道根数思想,建立了地球非球形摄动带谐项阶数为J₄条件下的回归轨道设计解析模型。其次,根据卫星与地球相对运动规律,确立了满足共星下点轨迹条件的解析式。最后,结合回归轨道设计与共星下点轨迹设计思想,建立低轨恒定轨迹星座构型设计模型。最终仿真结果表明,该构型设计方法符合所有卫星共星下点轨迹、且轨迹固定不变的设计预期,验证了本构型设计方法的有效性。本星座构型具有形式简易、构型易维持、覆盖范围广的特点,确保了空间系统与地面系统的方位一致性,极大程度降低了星地系统协同的复杂度。     

钟差和动力学参数联合约束下的北斗卫星轨道快速确定

受地球非球形引力、第三体摄动和太阳光压等摄动因素的影响,导航卫星位置存在长周期变化趋势,需要定期对导航卫星进行轨道机动,以保持卫星轨位和导航服务区.导航卫星机动后的定轨,特别是GEO卫星,其频繁轨控后的轨道快速确定问题,是制约卫星可用度和导航系统服务性能的重要因素.在基于伪距相位数据的轨道测定中,轨道与钟差的统计相关是制约卫星轨道快速确定的关键因素,特别是在观测弧段短的情况下,待估参数之间的相关性更强,动力学参数估计结果严重失真会导致轨道预报精度衰减明显.当卫星钟差与测站钟差通过外部手段高精度测定后,可以减少待估参数的估计,同时利用长弧定轨的动力学与运动学参数先验信息,对短弧定轨模式进行参数约束,卫星定轨精度将有很大的提升空间.通过钟差与力学参数的联合约束,实现了北斗卫星短弧快速定轨,解决了卫星机动后的轨道快速确定问题,SLR评估的卫星机动后4 h定轨外符视向精度优于0.71 m,比常规方法提高了3倍,预报1 h轨道视向精度为1.89 m,用户等效距离误差(UERE)精度达到1.85 m.     

一种卫星天文自主定轨定姿方法研究

利用安装在卫星上的太阳敏感器和紫外敏感器测量出的卫星—太阳、卫星—地球和卫星一月球方向矢量，并利用雷达测高仪测出的地心距作为观测量，提出采用广义卡尔曼滤波方法实时地确定卫星绕地球飞行的轨道，同时确定出卫星的对地姿态．对自主定轨进行了数学仿真，分析比较了采样周期、轨道倾角、轨道偏心率和轨道高度等因素对定轨精度的影响．总结了其变化规律，该方法可用于提高卫星自主定轨精度．     

星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航

为解决星座仅依靠星间链路测量进行自主导航时的整体旋转和漂移问题,提出一种星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航方法.通过星间观测相机和磁强计,获得同轨道相邻卫星视线矢量与地磁场方向之间的角距和地磁场模值,为低轨星座引入空间基准信息.在非秩亏性分析的基础上,分别建立状态方程和量测方程,利用扩展卡尔曼滤波方法进行整星座的最优状态估计.仿真结果表明,星座卫星自主导航位置精度优于20m,速度精度优于0.05m·s-1,自主导航运行时间维持180天,能够满足低轨卫星星座自主导航的应用需求.      

嫦娥一号卫星的地月转移变轨控制

文章阐述了嫦娥一号卫星地月转移阶段(从星箭分离到进入使命轨道)的高可靠、高精度自主变轨控制方案,介绍了飞行轨道、轨控策略及控制参数优化、星上自主变轨控制的系统设计和相关参数的地面标定等,给出了在轨飞行试验的验证结果。     

基于引力场不对称性的三体系统轨道自主导航

以月球背面的中继通信为背景,提出了基于三体系统引力场不对称特性的星–星测距自主定轨方案。该方案以环月极轨卫星和地–月L2点Halo轨道卫星组成中继通信网,以实现对月球两极和背面的覆盖。通过采集极轨卫星与Halo轨道卫星的测距信息,结合卡尔曼滤波在日–地–月动力学模型下获得两颗卫星的绝对轨道。数值仿真结果表明:本文方法能将导航的位置精度和速度精度分别提高到百米和厘米/秒量级。该自主导航方法还可以扩展到不规则引力场小天体附近星群运动的自主导航。     

地球同步轨道光学遥感卫星高精度高稳定度控制技术

介绍了我国新一代地球同步轨道光学遥感卫星控制系统的组成及技术特点,给出了关键部件的技术指标.描述了高轨遥感卫星在高精高稳快速机动、适应斜切遮光罩的全自主阳光规避、地速补偿以及高定位精度设计和实现的控制策略,给出的在轨实际数据遥测曲线验证了设计和实现的正确性,为我国后续更高分辨率地球同步轨道光学遥感卫星的发展奠定了坚实基础.     

轨控大干扰下的系统角动量管理

摘要： 针对利用角动量交换装置系统实现轨控期间姿态维持的情况，研究当轨控推力器存在大力矩扰动时系统角动量管理方法.结合对地运行航天器轨道运动特性，分析轨控干扰力矩的积累角动量变化规律；考虑角动量管理装置系统的角动量存贮容量，基于角动量积累规律提出了一种结合偏置角动量建立与对称分布轨控位置选择的系统角动量管理方法，实现了对称轨控位置积累角动量互相抵消的自平衡效果，极大程度地提高轨控效率且避免系统角动量饱和现象.所提出的方法适用于喷气欠驱动控制系统，方法的有效性通过了数学仿真验证及在轨型号应用.     

零偏模式下太阳光压对轨迹保持控制影响分析

从某颗在轨卫星地面轨迹漂移“异常”出发,分析了该现象发生的内在机理,建立了零偏模式下（卫星姿态偏航角保持为零）光压摄动力沿迹方向累积效应解析模型,并基于历史观测数据通过轨道改进估计模型参数。最后,利用该卫星2018年真实地面轨迹对新模型预报精度进行验证。结果表明,采用新模型后,卫星地面轨迹漂移预报误差得到明显改善,为该卫星轨迹保持控制策略制定提供了技术支持。     

严格回归轨道的管道导航方法研究

分析了作为参考轨道的严格回归轨道与卫星在轨运行状态的相对运动关系,提出近地遥感卫星的管道导航方法。由于参考轨道的设计只考虑高精度的地球非球形摄动,与在轨卫星的动力学环境存在差别,这导致两者之间存在切航向漂移。基于高精度的轨道动力学模型和位置确定方法,设计了卫星与参考轨道采样点的沿航向对齐算法,从而获取了卫星相对参考轨道采样点的相位时间偏差和卫星在参考轨道编队坐标系切航向平面内的相对运动轨迹,进而引入椭圆的“最小二乘适配法”获取相对运动轨迹的特征量。所研究的管道导航方法可应用于基于GNSS测量数据的卫星自主轨迹保持。     

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.      

Identification of seismic activity sources on the subsatellite track by ionospheric plasma disturbances detected with the Sich-2 onboard probes

Using a cylindrical Langmuir probe and the authors’ proprietary two-channel pressure transducer, ionospheric plasma parameter distributions along the orbit of the Sich-2 satellite (Ukraine, 2011–2012) were measured. This paper is concerned with identifying the space–time location of ionospheric plasma disturbance sources, including the epicenters of actual earthquakes (before or during the satellite flyover) and incipient earthquakes on the subsatellite track, from the measured distributions of the electron density and temperature and the neutral particle temperature along the satellite orbit. To do this, the measured ionospheric plasma parameter distributions are connected to the coordinates on the subsatellite track.It is shown that local disturbances in the electron density and temperature and neutral particle temperature distributions in the satellite orbit in the ionosphere may serve as indicators of seismic activity on the subsatellite track. The epicenters of incipient earthquakes may be set off from other plasma parameter disturbance sources associated with seismic activity using information provided by special monitoring and survey centers that monitor the current seismic situation.     

“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。     

The influence of orbital maneuver on autonomous orbit determination of an extended satellite navigation constellation

The right ascension of the ascending node is unobservable if only the inter-satellite ranging is used for autonomous orbit determination (AOD) of an Earth navigation constellation. However, if an Earth-Moon libration point satellite is added to the Earth navigation constellation to construct an extended navigation constellation, all the orbital elements can be determined with only the inter-satellite ranging. Furthermore, the extended navigation constellation can provide navigation information for interplanetary probes. For such an extended navigation constellation, orbital control needs to be considered due to the instability of the libration-point satellite orbit. This study concerns the influence of satellite orbital maneuver on the AOD of the extended navigation constellation. An AOD method under orbital maneuver is proposed. A low thrust controller is designed to achieve libration point satellite autonomous orbit maintenance by using AOD results. A navigation constellation consisting of three GPS satellites and one libration point satellite are designed for simulation. The simulation results show that libration point satellites can achieve autonomous navigation and autonomous orbit maintenance by only using inter-satellite ranging information. The rotation drift error of the Earth navigation constellation is also suppressed.     

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.      

基于模型化配置的星务自主控制软件设计与应用

卫星互联网正成为一种空间基础设施展开建设，大规模卫星发射的需求与地面运控管理任务指数型增长之间的矛盾日益突出，特别是对于低轨长期处于测控不可见弧段运行，其自主生存需求更为急迫，而星务自主控制功能是实现自主运行和生存的重要组成.本文通过参数装订、逻辑子层和数据交互模块的架构设计，提出一种基于模型化配置的自主管理软件系统框架，并针对核心逻辑子层，建立遥控主动模型、遥测主动模型以及数据融合交互控制模型，实现星务自主管理软件的快速研制，解决自主运行功能常会随设计深入和试验验证不断功能扩展的问题，提高星务自主控制软件的灵活性.通过卫星故障检测和恢复(FDIR)自主管理功能的设计进行了验证.结果表明该软件系统设计框架能够满足星务自主控制功能设计，具备可扩展能力，为进一步提升卫星的智能化水平奠定基础.     

系绳辅助的行星际轨道捕获研究

针对深空探测中应用动量交换系绳辅助进行行星际轨道捕获时的系绳控制问题,首先对运行在目标行星双曲线飞越轨道上的探测器系统进行动力学建模,给出了一致性轨道捕获条件和系绳最佳切断点,并进行了动力学特性分析。考虑到子探测器捕获后的变轨需求及系绳收放速率的限制,提出了新的最优控制方法,并应用模拟退火算法进行了数值求解。仿真结果表明,系绳切断时指向恰当,子探测器距离目标行星最近,将有利于后续变轨;系绳最大收放速率约为30m/s,切实可行。     

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。