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．     

航天器轨道机动过程中的自主导航方法

典型的航天器自主天文导航方法利用地球敏感器和星敏感器的观测信息,根据轨道动力学模型和测量信息,采用扩展卡尔曼滤波算法（EKF）估计航天器位置矢量。为了在航天器轨道机动过程中减小滤波器的估计误差,设计了用于航天器自主导航的自适应鲁棒扩展卡尔曼滤波（AREKF）算法。仿真结果表明,采用AREKF算法能够有效地减小推力不确定性的不利影响,在不增加导航敏感器的前提下改善系统的导航性能,取得优于传统EKF算法和自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）的估计精度。     

近地卫星利用光学敏感器的自主导航方法

基于光学敏感器的卫星自主导航技术是利用红外地球敏感器（IRES）和星敏感器（ST）等姿态测量部件提供的测量信息,通过计算含有轨道信息的星光角距和地球视半径角,修正由轨道动力学模型递推得到的轨道参数。通过系统状态模型和观测模型的离散化和线性化,得到扩展卡尔曼滤波算法的递推关系,并在此基础上进行数学仿真。仿真结果表明,该方法的收敛速度和收敛精度都比较好。由于该方法不需要增加额外的星载敏感器,因此具有很好的应用前景。     

太阳同步(准)回归轨道卫星的轨道保持方法研究

文中使用解析方法对太阳同步 (准 )回归轨道卫星动力学特性进行了研究 ,分析了非球摄动、大气阻力摄动和太阳引力谐振等主要摄动因素对太阳同步 (准 )回归轨道卫星的影响 ,并以此为依据对太阳同步 (准 )回归轨道卫星的轨道保持方法进行了探讨。定量分析结果表明 ,该方法切实可行 ,可以为轨道设计和轨道控制研究工作提供参考。     

基于星间距离测量的高精度自主导航

研究利用地球卫星和月球卫星之间的测距信息进行自主导航的方法.基于三体摄动轨道动力学方程和星间测距信息,可以同时确定参与导航的地球卫星和月球卫星的绝对位置;但是在初始位置误差较大的情况下,导航系统的定位性能会受到影响.为了解决这一问题,提出基于"星间测距+紫外导航敏感器"的组合导航方法.采用该导航方法,能够在初始位置误差和紫外导航敏感器测量误差较大的情况下实现高精度自主导航.基于Cramer-Rao下界(CRLB)分析了组合导航系统的性能,并通过数学仿真验证了该导航方法的有效性.     

地球观测卫星的轨道捕获和轨道保持

<正> 地球观测卫星利用星上遥感设备对地球进行观测,以获取各种地面信息.这种卫星通常选取太阳同步兼回归轨道.在太阳同步轨道上,运动的卫星在相同的地方时经过观测区域,卫星摄影时,太阳高度角基本相同;选取回归轨道,其目的是使卫星在运行一个回归周期以后,又重复原先的地面轨迹,这就可以满足用户对同一目标多次重复观测的要求.美国陆地卫星、泰罗斯、依托斯、雨云及法国的地球资源卫星均设计为这样的轨道.     

多敏感器卫星姿态确定的联邦滤波器设计

针对由惯性测量组件、星敏感器、数字式太阳敏感器和红外地球敏感器构成的卫星姿态确定系统 ,提出采用联邦滤波器进行信息融合。设计了多敏感器信息融合的联邦滤波器结构和算法 ,推导了卫星姿态确定的误差状态方程和各子系统的量测方程。仿真分析结果表明 ,采用联邦滤波器对多敏感器卫星姿态确定系统进行信息融合 ,能够以较小的计算量实现高精度的信息融合 ,并且还能使高精度的信息融合具备容错性能     

利用摆动地球敏感器两个探测器输出的姿态确定

摆动地球敏感器是地球同步通信卫星控制系统的重要部件。这种敏感器主要用于卫星的姿态测量,测量量作为控制系统的输入信号计算控制输出量。摆动地球敏感器有4个探测器,目前在轨卫星的基本使用方法均为至少使用3个探测器的测量信息进行姿态确定。本文给出了使用2个探测器测量确定卫星姿态的计算方法,并结合实际情况给出了使用策略。这种姿态确定方法大大拓宽了地球敏感器的使用范围,增加了地球敏感器的冗余性,延长了部件的使用寿命。     

编队飞行卫星群相对轨道测量研究

编队飞行卫星群自主式相对轨道测量和确定是绕飞轨道的关键技术之一,考虑了利用星敏感器和雷达以及利用GPS(Global Positioning System)信号来进行相对定轨的传统方式,提出了基于伪卫星技术的定轨方案.伪卫星技术指在卫星上安装载波发生器和接收器,利用这些装置来进行卫星间的距离测量.在这些方案中,应用了差分GPS技术,采用优化方法求解多元非线性方程.这些测量方法分别适应于不同的情况.利用相对轨道要素的概念,在前面测量结果的基础上,通过卡尔曼滤波进一步提高了定轨精度.仿真计算表明这些方案可以满足不同尺度编队构型保持要求,并给出了部分结果.     

圆轨道串行卫星编队的相对运动研究

针对圆形轨道串行卫星编队进行研究,推导出满足开普勒轨道假设的相对运动方程,从物理概念上证明了这种描述关系的正确性;并在此基础上利用星间测量信息,设计扩展卡尔曼滤波器进行相对轨道自主确定,仿真结果验证了此相对运动方程与导航方案的有效性。     

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.     

Orbit determination of BeiDou navigation satellite system maneuvered satellites based on instantaneous velocity pulses parameters

The BeiDou navigation satellite system (BDS) comprises geostationary earth orbit (GEO) satellites as well as inclined geosynchronous orbit (IGSO) and medium earth orbit (MEO) satellites. Owing to their special orbital characteristics, GEO satellites require frequent orbital maneuvers to ensure that they operate in a specific orbital window. The availability of the entire system is affected during the maneuver period because service cannot be provided before the ephemeris is restored. In this study, based on the conventional dynamic orbit determination method for navigation satellites, multiple sets of instantaneous velocity pulses parameters which belong to one of pseudo-stochastic parameters were used to simulate the orbital maneuver process in the orbital maneuver arc and establish the observed and predicted orbits of the maneuvered and non-maneuvered satellites of BeiDou regional navigation satellite system (BDS-2) and BeiDou global navigation satellite system (BDS-3). Finally, the single point positioning (SPP) technology was used to verify the accuracy of the observed and predicted orbits. The orbit determination accuracy of maneuvered satellites can be greatly improved by using the orbit determination method proposed in this paper. The overlapping orbit determination accuracy of maneuvered GEO satellites of BDS-2 and BDS-3 can improve 2–3 orders of magnitude. Among them, the radial orbit determination accuracy of each maneuvered satellite is basically better than 1 m. simultaneously, the combined orbit determination of the maneuvered and non-maneuvered satellites does not have a great impact on the orbit determination accuracy of the non-maneuvered satellites. Compared with the multi GNSS products (indicated by GBM) from the German Research Centre for Geosciences (GFZ), the impact of adding the maneuvered satellites on the orbit determination accuracy of BDS-2 satellites is less than 9 %. Furthermore, the orbital recovery time and the service availability period are significantly improved. When the node of the predicted orbit is traversed approximately 3 h after the maneuver, the accuracy of the predicted orbit of the maneuvered satellite can reach that of the observed orbit. The SPP results for the BDS reached a normal level when the node of the predicted orbit was 2 h after the maneuver.     

Long-term photometric signature study of two GEO satellites

Geostationary earth orbit satellites have been extensively used for unique high-orbit stationary characteristics. Long-term precise investigation is an important issue in the observation of GEO satellites, since it can provide valuable information on the satellites’ operation state, discrimination and early warning analysis. Ground-based optical-electronic devices play a significant role in the observation. 4-month photometric signature variation of two satellites is presented based on the successive observations using the 1.56-meter telescope of Shanghai Astronomical Observatory (SHAO). It can be concluded that the long-term brightness change mainly results from the sun declination angle and regular orbit maneuver. Moreover, the solar panel offsets of the two satellites are analyzed and found to be approximately 4 degrees. Estimation of photometric accuracy reaches 0.15 mag for the application of CCD drift-scan optical-electronic technique.     

基于视线测量和轨道预报高轨非合作目标相对导航方法

对于非合作目标,由于中远距离星上相对测量手段有限,大多情况仅能获得视线角信息.仅视线测量相对导航方法在GEO轨道条件下滤波精度低、可观测性差.提出一种基于星间视线方位测量和轨道预报信息结合的非合作目标相对导航方法.建立基于星间相对运动模型的状态方程和基于星间视线测量和轨道预报信息的观测方程,分别选取了扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波两种方法,仿真分析了轨道预报信息精度和滤波方法对导航精度的影响.     

A universal on-orbit servicing system used in the geostationary orbit

The geostationary orbit (GEO), a unique satellite orbit of the human beings, is a very precious orbit resource. However, the continuous increasing of GEO debris makes the GEO orbit more and more crowded. Moreover, the failures of GEO spacecrafts will result in large economic cost and other bad impacts. In this paper, we proposed a space robotic servicing system, and developed key pose (position and orientation) measurement and control algorithm. Firstly, the necessity of orbit service in GEO was analyzed. Then, a servicing concept for GEO non-cooperative targets was presented and a universal space robotic servicing system was designed. The system has a 2-DOF docking mechanism, a 7-DOF redundant manipulator and a set of stereo vision, in addition to the traditional subsystems of a spacecraft. This system can serve most existing satellites in GEO, not requiring specially designed objects for grappling and measuring on the target. The servicing contents include: (a) visual inspecting; (b) target tracking, approaching and docking; (c) ORUs (Orbital Replacement Units) replacement; (d) Malfunctioned mechanism deploying; (e) satellites life extension by taking over its control, or re-orbiting the abandoned satellites. As an example, the servicing mission of a malfunctioned GEO satellite with three severe mechanical failures was designed and simulated. The results showed the validity and flexibility of the proposed system.     

北斗GEO卫星CEI相时延解算方法研究

连线端站干涉测量(connected element interferometry，CEI)是高精度测角技术，在中高轨卫星、月球及深空航天器定轨定位中有良好的应用前景。基于CEI技术特点，提出了一种新的测量方法，即在相干测距模式下利用测距音和载波信号作为信号源进行连线端站干涉测量。构建了CEI试验系统对北斗GEO卫星进行观测，利用相干测距模式下的下行信号解算群时延、相时延。利用北斗GEO卫星精密星历计算的时延理论值，对北斗GEO卫星CEI群时延和相时延结果进行评估。结果表明，相干测距模式下CEI群时延和相时延残差均值分别为0.47ns、0.08ns，标准差(3σ)分别4.2ns、0.13ns。该项研究验证了相干测距模式下CEI相时延解算的可行性，可为共位地球同步卫星精密相对定位、月球探测器CEI测量提供技术参考。     

基于联合滤波器的高精度卫星定姿系统设计

设计了由陀螺、GPS姿态敏感器、红外地平仪和太阳敏感器构成的太阳同步极轨卫星姿态确定系统。提出联邦滤波器结构和算法,推导了各子系统的量测方程和姿态确定系统的误差状态方程。为规避对量测值进行非相关处理,采用减小GPS姿态敏感器输出的姿态滤波值作为系统滤波器量测值的频率的方法。仿真结果表明,采用联邦滤波器对多敏感器卫星姿态确定系统进行信息融合,具有计算量小、精度高、可靠性好等优点。     

基于单站CCD漂移扫描光电设备的同步轨道目标测定轨

地基光电观测在同步轨道目标监测领域具有重要作用.为评估单站光电设备对同步轨道目标的实际测定轨能力,利用上海天文台佘山站1.56m望远镜,采用CCD漂移扫描光电技术,对3颗北斗同步卫星开展试验观测,基于卫星精密星历评估目标的测定轨外符精度.结果表明:同步轨道目标的天文定位在方位和俯仰方向上的外符精度均好于0.3";在单圈次观测情况下,尽管轨道预报精度较低,约为数千米量级,但是观测弧段内定轨精度可优于百米;在多圈次观测情况下,轨道改进效果显著,定轨精度优于50m,外推至4d的轨道预报精度为百米量级.此外,定量评估了每晚不同观测时间跨度下同步轨道目标的测定轨精度,为单站光电设备实际应用提供了参考.