基于样条约束“EMBET”再入轨道测量数据融合方法

针对再入轨道最小二乘交会解算方法数据利用率低、轨道解算精度差的问题,提出并实现了基于样条约束“EMBET”的再入轨道测量数据融合处理方法.该方法认为再入飞行轨道在时序上是相关的,可以利用三次B样条函数精确表示,建立了关于样条函数参数和测量系统误差的测量模型,从而大量压缩了待估参数数量,准确自校准系统误差,提高了轨道估算的精度和稳定性.     

能估计外测系统性总误差的滑动最佳弹道估计法

本文是“改进全弹道测量数据处理与提高应用效益”系列研究的第二部分——改进主动段测量事后数据处理(第一部分见[1])。针对现行“误差模型的弹道最佳估计(EMBET)方法”存在的问题(例如,系统性测量误差模型不确定、不完善以及误差系数较多时计算困难等),提出了一种改进的EMBET方法。主要改进是将一切系统性测量误差的综合影响,用一条时变的非参数未知曲线完备表出,再根据系统性误差的短期缓变属性,在每一测量点附近用不同的二次曲线去逼近,以使非参数曲线参数化,最后用本文构造的数据滑动EMBET方法,把各外测通道的系统性测量总误差及弹道参数一起逐点解算出来。本文的数学模型准确合理,计算简便。结果公式与计算程序能退化成用一次或零次曲线逼近非参数曲线情况,也能退化成通常最简模型的EMBET,故适应性与实用性强。实测飞行试验数据试算表明:估出的外测系统性测量总误差同设计指标接近,而弹道分速度精度可高达0.015米/秒。此外,σ_y精度还能改善到σ_x的水平。本文对改进外测系统的设计、应用、精度鉴定、数据质量评估、火箭与卫星(入轨及运行段)数据处理等,均有重要意义。     

SATRACK-Ⅰ和SATRACK-Ⅱ导弹跟踪系统的工作经验与设计指标

SATRACK-I是为美国海军战略系统计划局研制的,用来跟踪试飞的“三叉戟-I”型导弹。该系统利用GPS的L_1频率信号、弹载变频转发器、地基接收/记录站以及一套专用的事后处理设备(该设备设在约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室),用以对导弹初始状态、弹道及制导系统误差作最优估计。该系统从1978年沿用至今,进行了50多发试飞导弹的性能估计。本文评价了SATRACK-I系统的性能,其设计精度指标为12.2米和0.015米/秒(1σ/每轴)。由于SATRACK-I的卫星—导弹间是单频线路,所以要用电子密度数学模型来修正电离层的距离及多卜勒误差。本文讨论了所用模型的特点及其性能。目前正在设计的SATRACK-Ⅱ系统将用来跟踪和鉴定“三叉戟-Ⅱ”型试飞导弹。该系统的精度指标为6.1米和0.03米/秒(1σ/每轴)。为达到这些指标,必须使用双频卫星一导弹间线路,并作其它一些系统改进。已选定GPS的L_3频率信号作为第二个频率,这一选择的原因以及其它系统改进将在下面介绍。     

GPS目标接收机中伪距与载波相位数据的互补及其导航定位测速方法

针对空中或地面GPS(动、静态)目标接收机,简要介绍了(C/A)伪距与(L_1)多卜勒距离增量的测量原理;给出了完整的数学模型与传播时延修正方法;通过伪距与增量数据的互补,构造了“无电离层折射影响的新距离增量”、“降低噪声的新伪距”、“固化电离层折射影响的新伪距”等,概括了本文提供的三种伪距、两种多卜勒距离(小或大)增量、不同待估状态参数等所派生的各种组合,研究了它们的典型模式及状态参数估计方法;最后扼要研究了无码定位问题,并设想了一种针对星历数据中故意注入系统性干扰以降低系统精度的对抗办法。本文对改进现行GPS导航方法;提高确定舰船或大地点位的位置精度;改善飞行器测量及数据综合利用;GPS基准接收机的设计、联调、开发利用等,均有重要参考价值。     

相对论效应下连续波雷达及GPS系统的测速原理与相对论影响

在狭义和广义相对论效应下,研究推导了连续波雷达及GPS系统的测速原理。给出距离和变化率S与多卜勒频平间的关系式;对经典公式(不考虑相对论影响)应作的相对论修正等。最后给出算例。 研究表明:狭义相对论的时间膨缩效应,在雷达上、下行通道测量中能互相抵消。而广义相对论引力场使频率改变造成的S误差,则为高阶小量(在算例的前题下,△_广S=1×10~(-11)米/秒,四站最优布站测飞行器速度的相对论影响△(?)、△(?)、△(?)均小于6×10~(-12)米/秒)。对于从空间单程测量的GPS系统,狭义和广义相对论影响都很大(测地面低速或静止目标时,△_狭(?)=0.02米/秒,△_广(?)=-0.16米/秒,△_总(?)=-0.13米/秒;四星最优几何测量时,△(?)=△(?)=△(?)=0.12米/秒),庄子重视和修正。     

单点弹道精度与轨道半长轴远地点高度计算精度的映射关系

在仅使用单点位置、速度信息计算轨道的奈件下,针对轨道半长轴、远地点高度的精度问题,在轨道面内,应用活力公式和二体运动学理论推导得出了轨道计算精度与弹道测量精度间映射关系的解析表达式,并采用数值分析方法给出了不同的位置、速度误差与半长轴、远地点高度最大误差之间的数值关系.仿真结果表明,对于位置误差和速度误差大小分别为100 m和1 m/s的算例,半长轴最大误差和远地点高度最大误差分别约为2 km和4 km.基于此方法,可以将弹道误差传递至轨道参数误差,进一步分析故障误判和漏判概率;也可根据轨道参数精度要求反算弹道测量精度要求,以作为地面测量系统建设的技术依据.     

空间动态目标间相对距离解算方法的改进

探讨了在地面光学测量条件下,直接解算空间动态目标间相对距离的方法,以避开首先解算两动态目标位置分量的要求,而有效地简化解算过程.在此基础上,对多台光学测量设备交会的观测数据,应用非线性递推估计,提供精确解算动态目标间相对距离量的方法,它不需按常规方法对观测方程进行线性化处理,有利于解算结果精度的提高,也减少了计算量.     

确定近地卫星轨道的滤波理论

本报告介绍弘贤多用途轨道统计处理系统(KOSMOS)的数学说明及其在确定近地卫星轨道中的应用。数学说明包括时间、坐标、卫星动力学、摄动及其差分方程、雷达跟踪方程和轨道统计确定理论问题。为估计用于轨道确定的各种滤波理论方法的精度,我们利用KOSMOS程序做了广泛的仿真研究。从胜浦、增田和冲绳跟踪站所产生的距离和距离变化率观测数据,我们发现,利用推广序贯处理和状态噪声补偿法(SNC)可以获得同观测精度相当的准确度。我们给出的证据还表明,对于一组足够密的观测数据来说,通过动力学模型补偿法(DMC)按推广序贯处理可以获得非模型的加速度。同时还指出,DMC补偿法可以提高卫星状态的估算精度。但是,必须付出增加处理时间的代价,该补偿法的处理时间约为SNC补偿法的两倍。此外,还介绍了U—D协方差的因式分解法,并利用这种方法研究了观测数据的类型和精度的影响以及错误仿真观测噪声大小的影响。     

考虑相对几何约束的载人月面上升交会轨道研究

针对载人月面上升交会任务对任务快速性和自主性的高要求,基于共椭圆交会方案,将提升任务自主能力的相对测量条件和航天员的操控特点量化为着陆器与目标飞行器的相对几何约束,设计了载人月面上升交会轨道的参数。首先建立了载人月面上升交会飞行过程的时间、相位和速度增量解析模型,然后提出了相对几何约束模型,最后分析了入轨相位差随Lambert转移轨道半长轴单调递增的规律,提出了通过确定边界值来快速求解可行域的方法。仿真验证了方法的有效性,计算分析了任务周期、速度增量、相对距离在可行域内的取值情况,结果表明当目标环月轨道高度取300 km时,过渡轨道不应低于220 km,相对测量范围至少750 km。     

基于特征模型的Halo轨道维持控制

平动点，尤其是共线平动点轨道在未来深空探测活动中具有重要的应用价值，但由于共线平动点轨道不稳定，运行在其上的航天器在无控情况下将很快偏离标称轨道，因此在实际任务中，轨道维持必不可少。针对地月系L₂点附近的Halo轨道维持问题，首先在圆型限制性三体模型下，利用Richardson三阶近似解析解、微分修正以及打靶法获得了用于维持控制的标称轨道；然后设计了基于特征模型理论的黄金分割控制器用于速度跟踪以及PD控制器用于位置跟踪；最后分别在圆型限制性三体模型和双圆限制性四体模型下进行了仿真分析。结果表明：在两种模型下，位置和速度的跟踪精度分别优于100 m和0.003 m/s，但双圆限制性四体模型下所需总的速度增量比圆型限制性三体模型下所需总的速度增量高一个数量级。     

飞行试验鉴定用的测量、控制和估计的新方法

现代导弹武器系统飞行试验鉴定中所用的制导系统的精度不断提高,促使西部导弹航天试验中心关心和要求采用新的测量、控制和精度估计方案。由于采用了在相位(即距离)域采集和处理雷达多卜勒测量值的方法,外测精度和估计精度比起传统的在频率(即距离变化率)域进行测量有了很大的提高。这种多卜勒技术已经用到了C波段雷达上,但也可以应用到其它系统,尤其是GPS系统。通过应用测量噪声去相关方法,消除了控制和估计功能间的相互影响,从而实现了每一种功能的各自独立优化。采用了在数字计算中具有极好数值特性的平方根估计算法,确保了充分发挥愈益精确的测量设备和制导系统的潜力。这里所介绍的已在西试验中心得到了检验的方法,预期在未来的试验鉴定工作中将发挥重大的作用。     

航天器DOR信号本地相关处理的建模与仿真

详述了DOR（差分单向测距）信号的本地相关处理方法。首先根据轨道预报确定先验时延模型值,利用高精度频率估算方法估计航天器DOR信号的星上发射频率,然后通过时延模型值与频率估计值构造DOR本地模型信号,再将此模型信号分别与测站接收的DOR实测信号进行互相关运算,提取相关相位,解算高精度时延观测量。推导了DOR信号本地相关处理的数学模型,通过信号仿真验证了该方法的有效性,在仅考虑系统噪声影响与轨道预报误差的条件下,仿真时延测量精度达到0.1 ns,为深空航天器精密轨道测量提供了一种可借鉴的技术方法。     

利用GPS进行近地轨道确定和会合导航

本文介绍了GPS用于近地轨道确定和会合导航的性能研究结果。目前为陆地、海上和空中导航开发的一些技术正在扩展到空间环境。对两个近地航天器上的GPS接收机系统的实际工作情况进行了仿真研究,以此评价了GPS系统的相对和绝对导航精度。为该性能仿真研究提供一个逼真的基础,拟制了一些动力学和环境模型。仿真研究获得了两项重要结论:1)轨道上用一台GPS差分基准接收机给其附近另一些GPS接收机提供信息,可以将这些接收机的绝对定位精度提高到基准站所能达到的精度。2)从同4颗GPS卫星测得测量值的两台同型号接收机,其相对定位精度(1σ)每轴向可以达到1.8m(P码)和20m(C/A码)。相对速度误差每轴小于0.04m/s。当接收机拉开相当距离时,差分GPS和相对导航技术的精度下降不明显。     

基于非差模型的GPS卫星实时钟差估计精度分析

通过分析实时钟差估计的解算过程,实现了基于非差模型的GPS卫星实时钟差估计,利用区域和全球数据、最终和实时轨道分别求解实时钟差,并将其结果与IGS实时钟差产品进行对比,分析GPS卫星实时钟差产品的精度。算例表明:采用IGS最终轨道产品实时解算卫星钟差,平均钟差精度达到0.2ns;采用IGS实时轨道产品实时解算卫星钟差,平均钟差精度达到0.25ns;IGS实时钟差产品平均钟差精度达到0.2ns以内。实时估计的钟差和IGS实时钟差产品精度差异有很大一部分是由于双方采用的钟差解算策略不同造成的,IGS实时钟差产品和IGS实时轨道产品是同一软件求解得到,符合性更好,且两种实时钟差产品在精度评定时选择IGS最终钟差产品为参考,这对IGS实时钟差产品的评估也会有利。     

基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。     

再入(返回)测量的自校准α-β-γ滤波

在导弹、航天器试验任务的实时数据处理中,α-β-γ滤波已得到应用。由于外测系统的观测数据中,除含有随机误差外,还含有系统误差,而且系统误差经常大于随机误差。随着对实时处理测量精度要求的日益提高,应用α-β-γ滤波解算弹道参数,必须考虑外测系统误差的修正,否则,在较长测量弧段利用其滤波时,系统误差会造成弹道参数的滤波“发散”。本文基于“EMBET”自校准原理,将其推广到α-β-γ滤波中,完成了具有自校准α-β-γ滤波公式的推导,并给出再入(返回)测量弧段时的常用测量元素下的相应公式。     

TDRSS利用成批最小二乘法和序贯法测定陆地星-4轨道的精度评定

哥达德航天中心飞行动力学部委托应用技术联合公司在基于DOS个人计算机上开发实时定轨/增强型系统(RTOD/E),作成卫星轨道序贯测定法的样机系统。本文介绍了研究结果,即比较了TDRSS用户星——陆地星—4利用在个人计算机上运行的RTOD/E的定轨精度和利用在主机上运行的哥达德测轨系统(GTDS)正规成批最小二乘系统的精度。陆地星—4测轨结果将为地球观测系统(EOS)系列卫星提供很有用的经验。确定了1992年5月18日到24日的陆地星—4的星历表,这一段时间有密集的TDRSS对其的跟踪数据。期间发生了二次独立的调轨机动,一次是TDRS卫星(东TDRS),另一次是陆地星—4轨道微调机动。对成批法和序贯法得出的轨道解进行了多种独立的一致性检验(成批法是重迭比对,序贯法是协方差和一次测量残差)。陆地星前向滤波的RTOD/E轨道解与确定性的GTDS轨道解进行比较;当滤波器进入稳态后,两轨道解的差一般小于30米。     

整批火箭制导遥测和诸外测系统数据的综合处理和精度估计

本文针对一批火箭的设计、试验,测量和分析工作失配状态,从综合利用诸火箭的空间和地面测量数据出发,给出了估计批火箭的精确度(主动段)、综合数据处理以解算诸火箭的轨道参数(含自校正)和各测量系统精确度估计方法。该方法可进一步用于推知未射火箭及其测量的精确度。还能算出未射火箭制导系统硬设备应予校正或改进的各误差值,以便消除落点系统偏差,提高火箭精)确度。此外,解决了火箭与测量中,严重存在的以下重大系统工程问题,即:如何最充分和有机地利用一切有用测量信息,以便最大限度和有效地满足各方面迫切需要。该方法对于测量要求论证和火箭飞行方案制定等工作,也将颇具启发性。文内分析和比较了对火箭逐一处理和分析所存在的问题;提出了体误差模型(系统误差的随机性)的概念;为适应多枚火箭的综合数据处理,推广了EMBET方法(轨道的最佳估计);还给出了本文所用测量精度估计的许氏(许宝(马录))模型的形式及其解。本文是《运载火箭制导遥测系统和外测系统数据综合利用方法》的深入和推广,除计算量大(若对五枚火箭,按每秒输入一点数据进行计算,约需30万原始数据)之外,是宜于实现的。     

用于动态精密定位的GPS多卜勒处理

在本文中我们证明了巧妙地利用从C/A码得到的所有信息,可以获得高于报道的P码精度,而且成本低廉。可是这一性能只限于低动态、低人为干扰环境,即适用于典型的民用场合。P码的优势主要在于对付高动态(喷气飞机和导弹)和人为干扰环境。本文给出了在静态和低动态情况下,利用来自TRIMBLE 4000接收机的码相位、载波相位、多卜勒和多卜勒积分测量值所得定位结果。可以看到,特别在低动态情况下,可以获得高于10cm的相对(差分)定位精度。经短时间的起始校准和跟踪之后,每秒可得多组定位解。这种精度的提高来源于用积分多卜勒辅助码相位测量值。每秒的定位(极坐标或笛卡尔坐标)基于一组独立的完整测量数据,不需要假设的模型、内插和外推。     

基于测量数据误差特性求解轨道参数的方法

针对样条方法在计算级间分离、关机点、头体分离点附近的轨道参数时,由于样条节点不准确使轨道表示误差大的问题,提出了一种基于测量数据误差特性求解轨道参数的方法,可以成量级地降低测量数据在关键点上的表示误差,同时提高轨道参数精度,缩短数据计算迭代时间,这对于快速提供高精度的轨道参数更具有现实意义。