基于伪距和观测量的地球同步卫星动力学定轨研究

利用伪距和观测量对同步卫星进行了动力学定轨的研究，给出了伪距和观测量的测量方程和修正方法，采用国内4个监测站的模拟数据进行了仿真计算．结果表明，采用7天弧长伪距和数据进行轨道改进及轨道外推的精度，与5天弧长数据的计算结果相当，但远优于3天数据的计算结果．在观测随机误差为3m时，7天弧长数据定轨精度约为5m，预报7天径向精度优于20m．     

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度，传统几何定轨法精度受限，只能达到亚米级，而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解，定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能，利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品，对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算，与事后精密轨道结果进行比较，分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据，切向与径向的定轨精度可达2cm左右，法向为5cm左右，较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。     

基于双频GPS观测的简化动力学最小二乘批处理精密定轨

星载双频GPS载波相位和伪距观测量已成为低轨卫星获取精确三维位置和速度信息的主要方式. 本文以非差消电离载波相位和伪距组合作为观测量,应用简化动力学最小二乘批处理方法进行地球低轨卫星的精密定轨,并给出完整定轨流程. 采用逐段常量的经验加速度对动力学模型误差进行补偿,描述了经验加速度敏感矩阵及稀疏带状矩阵求逆的有效计算方法. 利用GRACE-A卫星GPS观测数据对定轨位置精度进行分析,结果显示,三维位置定轨精度优于5cm,经验加速度在径向、切向和法向上的补偿水平不超过40nm·s-2,大气阻力系数和辐射光压系数的估计值符合物理实际,星载接收机钟差大致呈线性并具有短周期小波动.      

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.      

基于多模型最优融合的双星定位系统一体化精密定轨方法

针对卫星动力学模型复杂且不准,考虑到卫星定轨中待估参数在时间和空间上的相关性,提出了一种基于多模型最优融合的双星定位系统一体化参数建模的近地卫星精密定轨新方法.利用节点自由分布B样条描述卫星运动,实现了对卫星粗略动力学模型的抑制作用;同时结合双星观测模型,使该方法转化为关于求解卫星轨道样条表示参数和定轨系统误差的多模型融合的非线性优化问题;通过引入模型结构确定最优融合权值的选取准则,在最小二乘准则下,采用非线性最优化方法搜寻样条的最优节点分布,得到了待估参数的最优估计,完成了近地卫星的精密定轨.理论分析和仿真计算表明,该方法确实有效,不仅提高了卫星的定轨精度,而且使状态估计的结构更加稳定.      

基于协方差理论的非关联轨道动态关联算法

空间目标编目过程中新目标监测数据稀疏,定轨误差大,固定门限的轨道关联成功率低。文章旨在通过轨道协方差演化和马氏距离动态关联不能与目标数据库关联的非关联轨道(uncorrelated tracks, UCTs)。关联模拟流程包括轨道星历计算、观测数据模拟、定轨及协方差演化和马氏距离动态关联。协方差演化是UCTs关联的主要过程。文章建立基于线性和无迹卡尔曼滤波(unscent kalman filter, UKF)协方差生成和演化算法,以雅克比转换计算演化协方差并引入UKF算法提高协方差计算精度,分析高斯演化协方差计算结果,建立高效稳定的协方差演化模型,并把协方差演化模型应用于UCTs关联中去。以印度一箭104星中的20颗卫星的两行轨道根数模拟UCTs关联,结果表明,随着轨道时间间隔增加,关联量逐渐下降。相同轨道时间间隔,不同卫星轨道所计算的关联量也不相同。当关联阈值设为200时20颗卫星可以全部关联。     

基于GNSS测量的天宫二号质心确定

由于轨道机动燃料消耗,科学载荷加载、分离,以及伴飞小卫星在轨释放等原因引起天宫二号空间站质心(COM)发生位移,从而影响天宫二号的动力学质心定轨精度。针对这一问题,提出了基于全球导航卫星系统(GNSS)测量数据的简化动力学质心估计方法。燃料消耗是引起天宫二号质心发生位移的主要原因,质心在本体坐标系X轴方向位移最为显著。利用GNSS测量数据对天宫二号进行质心估计和精密定轨,在三轴对地稳定姿态下,本体坐标系X轴方向与轨道切向重合,定轨结果对本体坐标系X轴方向的质心位移并不敏感。但在连续偏航模式下,本体坐标系X轴在轨道法向上有较大分量,X轴方向的质心位移对基于GNSS测量计算的精密定轨结果有较大影响。定性和定量分析结果表明:偏航姿态模式下天宫二号本体坐标系X轴方向质心位移估计具有可行性。天宫二号实测数据计算结果表明:与未做质心估计的定轨结果进行对比,质心估计后表征轨道动力学建模误差的经验加速度补偿水平在轨道径向、切向和法向上分别降低62%、50%和65%;载波相位后验残差标准差降低0.04 cm;精密轨道与全球激光测距数据比较精度提高0.86 cm。所提方法可以应用于大型低轨航天器在轨质心估计。      

基于双星系统定轨的数学方法

通过对双星系统定轨原理的分析,结合卫星的动力学模型,采用联合多时刻观测系统的数据融合方法,得到了一种解算卫星轨道状态的解析方法,同时还给出了误差传递方式。该方法不需要标称轨道,计算方便。理论分析和仿真计算表明,方法确实可行,且定轨精度有所提高。     

“嫦娥二号”小行星探测试验定轨计算与分析

嫦娥二号于2012-04-15开展对图塔蒂斯小行星的探测试验,至2012-12-13与图塔蒂斯交会,共飞行243 d,这是我国对小行星的首次探测.因为未安装星载导航设备,CE-2 在小行星探测试验的全过程均基于地基USB（Unified S-Band）与甚长基线干涉测量技术（VLBI,Very Long Baseline Interferometry）测量实现导航.对小行星探测期间的定轨计算及精度分析进行了讨论,对我国新建深空站的测量数据进行了分析.针对交会前最后一次轨道机动后,仅有13 d控后数据的现状,提出了快速轨道重建策略.计算结果表明该策略不仅可以有效改进定轨计算精度,还可以实现轨控速度增量的标定.基于重叠弧段的轨道分析比较表明,单独使用USB长弧数据计算可以获得10 km的定轨精度,综合USB与VLBI数据联合定轨,定轨精度可以提高1倍.     

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。     

“嫦娥4号”中继星开环测速方案设计与试验验证

针对深空探测器轨道测量任务高精度测速需求,提出了一种开环测速方案。首先,采用窄带模式对深空探测器下行信号进行采集记录,利用傅里叶变换+线性调频Z变换+本地重构相关联合信号处理方法,对探测器主载波信号进行处理,自适应提取探测器主载波频率;然后,基于主载波频率获取反映探测器相对于测站速度运动关系的多普勒频率,并评估多普勒频率的随机噪声水平;最后,将基于本文的多普勒频率与深空站测速基带多普勒频率、累积载波相位测速多普勒频率进行比对,并将3种多普勒频率输入探测器联合定轨程序,进一步评估本方案获取的多普勒测速绝对精度。基于"嫦娥4号"中继星在轨实测试验数据分析表明:所获得的多普勒频率提取精度为10 m Hz,优于深空站基带测速多普勒频率与累积载波相位测速多普勒频率精度;联合定轨表明:多普勒测速绝对精度为0.2 mm/s,有效验证了深空开环测速技术,为后续深空探测器轨道联合测量系统研制奠定了技术基础。     

单星导航HEO卫星初轨确定算法

HEO(Highly Elliptical Orbit)轨道卫星利用星载GPS(Global Positioning System)进行自主定轨面临的主要难题之一就是解决在单颗导航卫星条件下的初轨确定问题.从理论上分析了利用单颗导航卫星的观测量确定HEO卫星轨道初值的所需满足的条件,指出了利用F.G级数法求解初值存在的问题,提出了一种基于轨道根数约束的迭代批处理算法,该算法无需复杂的数学运算,避免了F.G级数法用短弧资料定初轨时系数矩阵秩亏的影响.仿真结果表明,当先验轨道根数误差在允许范围内取值时,在考虑轨道射入误差的情况下,初值的位置偏差在10⁴ m量级,速度偏差在10⁰ m/s量级,能够根据单颗导航卫星的短弧观测值可靠地完成轨道初值的确定.     

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.      

一种基于火箭视位置与视速度的航天器初轨确定方法

为了充分利用航天器初始轨道确定的信息源,不断完善地面测控系统定轨手段和方法,提出了一种基于火箭视位置与视速度的航天器初始轨道确定方法.首先对火箭视位置与视速度测量弹道的原理进行了分析;然后利用火箭秒节点计算机字(视速度)以及某一点的初始弹道(初始位置矢量、速度矢量),通过对火箭的运动方程进行逐秒积分,以获得每秒的位置矢量和速度矢量,再转换为弹道数据,并利用此数据直接确定航天器初始轨道.最后通过某太阳同步轨道卫星实测数据仿真计算,证明了方法的正确性和可靠性.      

基于正弦拟合的空间目标短弧关联算法

星敏感器是一种高精度姿态传感器，具有断续拍摄空间目标的能力，可作为空间目标监视平台。将星敏感器断续观测的短弧准确关联是实现空间目标精确定轨的前提。通过对空间目标的大量观测数据统计发现，空间目标的赤纬随赤经的变化始终满足一条周期为360°的正弦曲线且峰值与轨道倾角有关。对新旧航迹的赤经赤纬变化规律进行研究，提出一种基于正弦拟合的空间目标短弧关联算法，避免了空间目标初定轨的步骤，节约了算法运行时间。仿真中观测时长最短为50s，通过对目标密集的GEO带增加额外约束，可区分倾角相差0.01°的轨道。当航迹段间隔3h时，3组噪声水平目标关联的准确率均达90%以上。     

卫星初始轨道确定方法研究

卫星精密轨道确定过程实际上是通过求解轨道动力学微分方程组而对初始轨道不断改进的过程,因此,轨道确定的精度与速度不但依赖于求解微分方程组的具体算法,同样依赖于初始轨道的精度与准确性。针对多站测距/距离和数据,建立了一种轨道初值计算的几何方法,该方法集折射误差修正方法于一体,在进行观测数据折射误差修正的基础上,可以得到卫星在任意时刻的轨道初值。     

目标飞行器交会对接轨道的设计和控制

根据目标飞行器轨道高度和追踪飞行器入轨轨道高度,给出了目标飞行器交会对接轨道初始相位的设计方法。针对目标飞行器交会对接轨道控制要求,建立了共面相位计算模型以及轨道相位、高度和圆化度的多目标参数求解模型。基于定轨误差、轨道控制误差和轨道预报误差的调相时间分析,制定了目标飞行器调相控制策略。仿真计算表明,实现的目标飞行器交会对接轨道满足要求,验证了调相控制量优化原则的正确性,并对标称共面与虚拟共面的共面时刻和共面相位进行了比较。所提出的计算模型、控制策略和分析方法适用于目标飞行器交会对接轨道设计和控制实施。     

解体速度增量计算方法研究

解体速度增量是解体事件强度的重要指征, 它决定了解体产生碎片的轨道分布. 通过分析解体速度增量可以推断解体强度, 确定解体形式. 解体速度增量有两种计算方法, 即轨道位置演化法和轨道面相交法. 轨道位置演化法是根据解体前后轨道速度的变化直接得到解体速度增量; 而轨道面相交法是利用母体以及解体碎片的球面三角几何关系, 根据解体碎片的倾角和升交点赤经变化, 以及母体轨道的倾角和近地点辐角, 计算解体时刻母体轨道的真近点角, 从而得到解体的时间和速度增量. 相比来说, 轨道位置演化法适用于数据精度高, 解体高度高情况下的解体事件分析, 而轨道面相交法适用于解体高度低, 碎片数据公布时间较为滞后的解体事件分析. 根据解体速度增量的计算方法及其原理, 对两种方法的适用性进行了比较和讨论, 并选取已经发生的三次解体事件, 利用美国公布的TLE数据, 针对具体情况选择计算方法, 给出了三次解体事件发生的时间和解体碎片在空间三个方向上的速度增量.      

姿态异常下的星体自旋角速度确定方法

摘要： 针对在轨姿态异常后星体高速自旋情况,开展星体自旋角速度确定方法研究.提出一种基于太阳敏感器测量数据确定自旋角速度的方法,并对自旋角速率确定误差进行分析,得到各误差源对确定精度的影响关系;基于角速率确定误差分析结论,给出根据角速度大小选取不同时间间隔测量数据的策略,通过大时间间隔测量数据的选取,保证小角速度情况下的确定精度.所提出方法的有效性通过数学仿真验证,并在实际应用中基于太阳敏感器遥测数据获取在轨姿态异常卫星角速度.     

An Improved Double r-iteration IOD Method for GEO UCTs Based on SBSS System

The purpose of initial orbit determination, especially in the case of angles-only data for observation, is to obtain an initial estimate that is close enough to the true orbit to enable subsequent precision orbit determination processing to be successful. However, the classical angles-only initial orbit determination methods cannot deal with the observation data whose Earth-central angle is larger than 360°. In this paper, an improved double r-iteration initial orbit determination method to deal with the above case is presented to monitor geosynchronous Earth orbit objects for a spacebased surveillance system. Simulation results indicate that the improved double r-iteration method is feasible, and the accuracy of the obtained initial orbit meets the requirements of re-acquiring the object.