GRO和LRO掩星事件模拟研究

GRO（Global Navigation Satellite System Radio Occultation）和LRO（Low Earth Orbit Radio Occultation）联合组网探测地球大气是无线电掩星探测技术的主要发展方向.本文根据掩星事件的数学判据,仿真分析了LEO卫星主要轨道参数对GRO和LRO掩星事件数量和全球分布情况的影响.研究表明:卫星轨道越低GRO掩星事件越多;轨道倾角在30°和75°之间时,GRO掩星事件较多,全球覆盖率也较大;利用极轨卫星进行LRO掩星探测时,LRO掩星事件较均匀地分布在各纬度带.研究成果对GRO和LRO联合星座设计具有参考价值.      

LEO卫星轨道误差对无线电掩星反演大气参数的影响

采用数值方法估计了LEO卫星轨道误差对无线电掩星反演大气参数的影响。并将其应用于1995年10月11日的某次掩星事件的观测资料处理和分析，得到了LEO卫星轨道误差对无线电掩星反演大气参数影响的定量结果。     

一种空间协同探测系统的星座设计方法

研究了由多颗合成孔径雷达卫星和一颗可见光卫星构成的空间协同探测系统的工作模式.根据太阳同步轨道和冻结轨道的特点,结合近地轨道遥感卫星的应用需求,选择了轨道半长轴、偏心率、倾角、近心点幅角.考虑到卫星偏航控制对覆盖性能的影响,在不动的地心坐标系中推导了卫星观测方向与地表交点的表达式,提出了确定系统中各颗卫星的升交点赤经和过近心点时刻的算法.给出了包含两颗合成孔径雷达卫星与一颗可见光卫星的协同探测系统的星座设计结果,并利用国际公认的卫星软件工具包Satellite ToolKit进行了验证,表明该设计方法是正确的.     

一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法研究

在用运动学方法进行小卫星绕飞编队的相对运动分析和轨道设计时，一般假设环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差、轨道倾角差和纬度幅角差均为小量，从而对相对运动方程进行近似和简化．但是当参考卫星的轨道倾角等于零或较小时，环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差和纬度幅角差并不是小量，此时由于假设条件不成立而无法得到合理的轨道设计结果．针对这种情况，本文提出了一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法．首先对零轨道倾角卫星编队的卫星相对运动方程进行近似简化，得到了以轨道根数差为参数的相对运动方程和卫星编队设计方法，然后通过转移矩阵变换来进行任意轨道倾角的卫星绕飞编队设计，最后通过实例验证了方法的正确性．     

低轨Walker星座构型偏置维持控制方法分析

针对低轨（low earth orbit,LEO）Walker星座构型稳定性维持问题,分析了低轨卫星的轨道摄动和星座构型稳定性的影响因素。通过分析低轨Walker星座的轨道摄动和相对漂移特点,提出了两次偏置策略。首先,依据未偏置时星座相对漂移量拟合得出第一次偏置时的偏置量。然后利用第一次偏置后的相对漂移量拟合得出第二次偏置量,消除残余项影响。两次偏置量叠加,使相对漂移大大降低。结果表明,低轨Walker星座中各卫星的初始参数偏差造成了升交点赤经和沿迹角相对漂移的发散,两次偏置策略可将两种星座的相对漂移量降至0.1°以下,证明了策略的有效性,提高了星座构型稳定性。     

低轨大规模卫星星座内部防碰撞安全性分析

针对低轨大规模星座卫星间碰撞安全问题，对星座构型的最大漂移量开展了研究。基于球面三角形理论计算了卫星轨道平面的最小相位差；采用控制变量法对星座构型参数进行研究，分析不同构型参数对星座卫星最小相位差的影响，以及升交点赤经漂移量与最小相位差的关系，提出了基于最小相位差的星座构型参数协同设计方法；基于相对相位分析方法，建立升交点赤经漂移量与相位漂移量随时间变化的函数关系；最后，以Starlink第一期星座为参考对象进行仿真，验证了构型参数协同设计方法的合理性。     

俄罗斯"全球导航卫星系统"一瞥

1系统现状□□1995年12月,俄罗斯“全球导航卫星系统”(GLONASS)的24颗卫星部署完毕,标志着该系统的正式建成。24颗卫星均匀分布在升交点赤经相隔120°的3个近圆形轨道面上,卫星倾角为64.8°,轨道高度为19130km,轨道交点周期为11h15min。满配置的GLONASS星座使地球表面99%的地区能够连续观测到5颗以上卫星。美国林肯实验室的监测结果表明,其民用码导航定位精度略低于无选择可用性(SA)的“全球定位系统”(GPS)。到目前为止,GLONASS卫星已发射了89颗,其中6颗未能成功入轨,2颗为大地测量卫星。但是,GLONASS卫星实际运行状况较差,…     

远距离轨道接近及绕飞控制技术研究

文章对半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经相近的两航天器的远距离轨控接近方案进行了理论分析。首先研究了通过改变轨道半长轴调整航天器升交点赤经变化率,进而控制轨道法向振幅的方法;其次给出控制点的选择时机与相对绕飞椭圆大小的定量关系;然后提出采用径向矢径模之差估计远距离相对运动参数方法;最后通过"神舟七号"伴星与轨道舱的远距离接近及绕飞控制仿真对理论推导进行了验证。     

基于STK的GPS/LEO无线电掩星技术仿真研究

GPS/LEO无线电掩星技术反演地球大气参数剖面已经具有较高的精度. 国外开展了多个GPS/LEO掩星项目, 但中国还尚未深入进行相关的实验, 这制约了中国掩星技术的发展. 本文提出基于STK进行GPS/LEO掩星技术研究的方法; 根据GPS/LEO掩星的原理, 推导出掩星事件发生的条件和掩星切点的计算公式; 利用STK对掩星过程进行模拟, 得到掩星数据. 在大气球对称假设和大气模型已知的条件下, 反演得到中性大气折射指数. 通过比较模型和反演数据, 表明反演数据精度较高, 验证了利用STK模拟GPS/LEO掩星实验方法的可行性.      

低轨卫星的北斗反射信号海洋覆盖分析

北斗系统作为我国自行研制的导航系统，具有独特的混合星座特性，其反射事件在海洋上的空间分布和覆盖性能的研究成果较少。针对上述问题，模拟了北斗三号（Beidou System 3，BDS3）以及全球定位系统（Global Positioning System，GPS）空间星座，模拟不同性能参数的低轨接收卫星，在此仿真系统的基础上，计算反射事件在各仿真场景下的海洋覆盖率以及同时发生反射事件的卫星数量。结果表明：BDS3与GPS相比具有更大的反射事件海洋覆盖率，覆盖性能更优；仿真周期7天与1天相比,前者卫星产生的反射事件海洋覆盖率约为后者5倍；低轨道卫星（Low Earth Orbit,LEO）轨道高度越高，天线波束角度越大，反射事件海洋覆盖率越大；3颗LEO卫星下同时发生反射事件卫星数的平均值约为单颗LEO卫星的3倍。可通过设计多星组网来提高反射事件海洋覆盖率。研究结果对星载反射技术海洋遥感应用方面有一定的参考价值。     

Exploring Greenhouse Gases Water and Climate Changes: Scientific Opportunities for the Climate and Atmospheric Composition Exploring Satellites Mission

The Essential Climate Variables (ECVs), such as the atmospheric thermodynamic state variables and greenhouse gases, play an important role in the atmosphere physical processes and global climate change. Given the need of improvements in existing ground-based and satellite observations to successfully deliver atmosphere and climate benchmark data and reduce data ambiguity, the Climate and Atmospheric Composition Exploring Satellites mission (CACES) was proposed and selected as a candidate mission of the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy Science (SPRPCAS). This paper presents an overview of the key scientific questions and responses of ECVs in relation to global change; the principles, algorithms, and payloads of microwave occultation using centimeter and millimeter wave signals between low Earth orbit satellites (LEO-LEO microwave occultation, LMO) as well as of the LEO-LEO infrared-laser occultation (LIO); the CACES mission with its scientific objectives, mission concept, spacecraft and instrumentation.      

全方向长期伴飞卫星集群轨道设计与仿真

主要研究在J2摄动的影响下，在中心卫星周围全方向上部署长期相对有界伴飞卫星的轨道设计方法。首先，利用J2不变的条件，由已知中心卫星轨道根数建立伴飞卫星的半长轴、偏心率及轨道倾角之间关系。然后，通过对伴飞卫星和中心卫星之间初始相对位置及轨道根数之间关系的分析，得到伴飞卫星的全部初始轨道根数，使其能够部署到中心卫星周围的任意方向上，从而能实现卫星集群在中心卫星的周围全方向长期有界伴飞。最后，通过轨道仿真验证了该方法的有效性。     

Different space weather effects in anomalies of the high and low orbital satellites

Preliminary results of the EU INTAS Project 00810, which aims to improve the methods of safeguarding satellites in the Earth’s magnetosphere from the negative effects of the space environment, are presented. Anomaly data from the “Kosmos” series satellites in the period 1971–1999 are combined in one database, together with similar information on other spacecraft. This database contains, beyond the anomaly information, various characteristics of the space weather: geomagnetic activity indices (Ap, AE and Dst), fluxes and fluences of electrons and protons at different energies, high energy cosmic ray variations and other solar, interplanetary and solar wind data. A comparative analysis of the distribution of each of these parameters relative to satellite anomalies was carried out for the total number of anomalies (about 6000 events), and separately for high (5000 events) and low (about 800 events) altitude orbit satellites. No relation was found between low and high altitude satellite anomalies. Daily numbers of satellite anomalies, averaged by a superposed epoch method around sudden storm commencements and proton event onsets for high (>1500 km) and low (<1500 km) altitude orbits revealed a big difference in a behavior. Satellites were divided on several groups according to the orbital characteristics (altitude and inclination). The relation of satellite anomalies to the environmental parameters was found to be different for various orbits that should be taken into account under developing of the anomaly frequency models.     

基于陆态网的区域电离层TEC空间变化特性分析

为研究中国陆态网区域电离层TEC在空间小尺度、高分辨率情况下的变化特性及适用精度范围，利用陆态网260个GNSS连续运行观测站数据，解算并生成2016-2017年731天陆态网区域电离层RIM格网，并进行精度验证.在同一RIM格网中，分别在经度和纬度方向上对间隔不同经纬度的TEC格网点作差分析.结果表明:陆态网区域内经度方向上TEC最大变化率和平均变化率分别为0.30TECU·（°）-1和0.11TECU·（°）-1；经度间隔1°时，TEC差值小于2TECU，且随着经度间隔的增大，其TEC差值也随之增大，并表现出一定的半年和周年变化规律；纬度方向上TEC最大变化率和平均变化率分别为1.7TECU·（°）-1和0.46TECU·（°）-1；陆态网区域内电离层TEC随纬度减小而增大，纬度间隔1°时，99.4%的TEC差值小于4TECU，且随着纬度间隔的增大，其TEC差值也随之增大，并表现出一定的半年和周年变化规律；间隔相同情况下，纬度方向上TEC的变化比经度方向上大.      

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

MEO导航卫星在轨放气产生的干扰力矩研究

摘要： 针对多颗MEO导航卫星太阳翼展开后产生比较明显的干扰力矩，对卫星稳定控制产生了一定影响的现象，本文根据动力学模型、姿态、角速度和飞轮转速变化，给出了干扰力矩计算方法，并结合多颗卫星在轨遥测数据进行计算，得出放气期间产生的干扰力矩.通过使用此干扰力矩进行仿真得出，卫星模拟器结果和在轨表现基本一致.此研究有助于优化卫星飞控流程，并指导卫星放气孔设计.     

“嫦娥4号”中继星使命轨道段定轨计算与分析

"嫦娥4号"中继星是"嫦娥4号"探测器实现月球背面着陆与巡视的关键,目前正稳定运行在地-月L2点使命轨道上,该使命轨道为平均周期约14天的南族Halo轨道。因任务的需要,中继星本体系+Z轴需调整指向,处于正对太阳和非正对太阳两种状态。太阳光压在中继星+Z轴对日的情况下会加速卫星的角动量累积,增加卫星卸载喷气频次。基于中继星使命轨道段测控支持条件,采用重叠弧段法对两种状态下的中继星定轨精度进行分析与评估。结果表明,在中继星+Z轴非对日运行状态下,重叠弧段位置误差为1.6 km,速度误差为8 mm/s;在中继星+Z轴对日运行状态下,重叠弧段位置误差为0.6 km,速度误差为3 mm/s,这对中继星的长期运行具有重要参考价值。     

基于经验加速度的低轨卫星轨道预报新方法

研究将定轨过程中的经验加速度应用于地球低轨卫星轨道预报的新方法. 利用GPS伪距观测数据和简化动力学最小二乘批处理方法对地球低轨卫星定 轨, 其中卫星位置、速度及大气阻力系数和辐射光压系数可以直接用于轨道预报. 作为简化动力学最重要特征的经验加速度呈现准周期、余弦曲线特点, 可通过 傅里叶级数拟合建模. 确定性动力学模型与补偿大气阻力模型误差的切向经验 加速度级数拟合模型组成增强型动力学模型用于提高轨道预报精度. 应用 GRACE-A星载GPS伪距观测数据和IGS超快星历定轨并进行轨道预报, 结果表明 轨道预报初值位置精度达到0.2m, 速度精度达到1×10-4m·s-1, 预报3天位置精度优于60m, 比只利用确定性动力学模型进行预报精度平 均提高2.3倍. 先定轨后预报的模式可用在星上自主精确导航系统中.      

GRAS radio occultation on-board of Metop

The GRAS radio occultation instrument is flying on Metop-A and belongs to the EPS (EUMETSAT Polar System). GRAS observes GPS satellites in occultation. Within this work, validation of GRAS closed-loop bending angle data against co-located ECMWF profiles extracted from model fields and occultations from the COSMIC constellation of radio occultation instruments is shown. Results confirm the high data quality and robustness, where GRAS shows lower bending angle noise against ECMWF than COSMIC and in terms of occultations per day, one GRAS ≈ two COSMIC satellites. This is partly due to the operational setup of EPS. For the investigation we focus on two observation periods where updates in the ECMWF (March 2009) and COSMIC processing (October 2009) have improved the statistics further. Bending angles biases agree to within 0.5% against ECMWF and to within 0.1% against COSMIC after the updates for altitudes between 8 and 40 km. In addition, we also analyze the impact of the Metop orbit processing on the derived GRAS bending angle data, where different GPS and Metop orbit solutions are analyzed. Results show that a batch based orbit processing would improve in particular the bending angle bias behavior at higher altitudes. Requirements for the operational processing of GRAS data are briefly outlined, options to ease the use of other positioning system satellites in the near future are discussed. A simplified analysis on the observation of several of these systems, e.g. GPS and Galileo, from one platform shows that about 16% of occultations are found within 300 km, ±3 h, thus providing similar information. A constellation of 2 GRAS like instruments would have only about 10% close-by.