18参数广播星历分析研究

针对18参数广播星历模型对混合星座（包含GEO（地球同步轨道）、IGSO（倾斜地球同步轨道）、MEO（中地球轨道））的拟合精度和稳定性问题,利用摄动理论中的分析方法研究18参数广播星历模型新增参数的物理意义,通过数值仿真比较分析18参数模型与16参数模型对混合星座的拟合精度和稳定性。分析研究表明,新增2个参数可以较好地逼近轨道变化的长周期项,相同拟合弧长的拟合精度比16参数提高了50%左右,但受短周期项影响,拟合不够平稳,同时由于轨道变化特征的差异,对GEO和IGSO卫星的拟合不如MEO卫星稳定。数值仿真结果表明,要保证稳定性必须增加拟合弧长,但拟合精度会有一定下降,18参数条件下,MEO卫星选用3h拟合弧长能保持很好的稳定性,GEO和IGSO卫星则需要选择5h拟合弧长。     

北斗实时精密轨道和钟差产品解算策略及精度评定

随着北斗卫星导航系统全球星座部署即将完成，其应用领域不断扩大，实时精密服务性能受到了极大关注。基于动力学精密定轨方法，设计了北斗卫星实时轨道、钟差算法流程和解算策略。利用不同频点信号，分别计算了BDS-2和BDS-3卫星的实时精密轨道和钟差，建立了完整的轨道和钟差精度评定方法，重点对解算的实时产品的精度进行了评定。结果表明：BDS-2和BDS-3实时精密轨道和钟差产品精度均可满足大部分实时用户的需求。对于B1IB3I频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度约为26cm，径向精度约为6cm，实时钟差精度约为0.45ns，且相较于BDS-2，性能更加稳定；对于B1CB2a频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度优于20cm，精度和稳定性较高。     

Geostationary orbit determination for time synchronization using analytical dynamic models

A real time analytical orbit determination method has been developed for precision national time synchronization. The one-way time transfer technique via a geostationary TV satellite standard time and frequency signal (STFS) dissemination system was considered. The differential method was also applied for mitigating errors in geostationary satellite STFS dissemination system. Analytical dynamic orbit determination with extended Kalman filter (EKF) was implemented to improve differential mode STFS (DSTFS) service accuracy by acquiring better accuracy of a geostationary satellite position. The perturbation force models applied for satellite dynamics include the geopotential perturbation up to fifth degree and order harmonics, luni-solar perturbations, and solar radiation pressure. All of the perturbation effects were analyzed by secular, short, and long period variations for equinoctial orbit elements such as semimajor axis, eccentricity vector, inclination vector, and mean right ascension of the geostationary satellite. The reference stations for orbit determination were composed of four calibrated stations. Simulations were performed to evaluate the performance of real time analytical orbit determination in Korea. The simulation results demonstrated that it is possible to determine real time position of geostationary satellite with the accuracy of 300 m rms. This performance implies that the time accuracy is better than 25 ns all over the Korean peninsula. The real time analytical orbit determination method developed in this research can provide a reliable, extremely high accurate time synchronization service through setting up domestic-only benchmarks.     

BDS接收机星间载波相位偏差

BDS(BeiDou satellite navigation System,北斗卫星导航系统)的MEO/IGSO (Medium Earth Orbit/Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,中圆地球轨道/倾斜地球同步轨道)卫星在D1导航电文上调制了NH(Neumann-Hoffman,奈曼-霍夫曼)二次编码,而在GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星上未使用.利用北斗MEO/IGSO和GEO卫星进行差分定位时,采用不同NH码符号映射规则的接收机之间会出现半周载波相位偏差的问题,严重影响RTK (Real-Time Kinematic,实时动态差分)应用.通过分析半周载波相位偏差的形成机理,从单差、双差、三差应用角度分别研究了半周载波相位偏差的影响.分析结果表明,接收机NH码符号映射规则与卫星不一致时,接收机直接用乘法器对NH码解调将存在反相,也即引入了半周载波相位偏差;在满足特定条件下,单差和双差应用时会存在半周载波相位偏差的问题;三差应用时不存在半周载波相位偏差的问题.最后,提出了需在北斗接口控制文件中明确卫星NH码调制或映射规则的修订建议.     

基于多目标粒子群算法的导航星座优化设计

导航星座的设计涉及诸多优化变量的选取,优化设计的目的是选取合适的优化变量使导航星座最大程度地满足人们需求。提出了将导航性能和卫星生产成本作为目标对导航星座进行多目标优化设计的研究方案,导航星座基本构型为中轨道(MEO)与地球静止轨道(GEO)卫星组成的混合星座,MEO卫星用于全球导航,GEO卫星用于增强星座对中国及周边地区的导航性能。探讨了MEO和GEO的轨道设计思路。阐述了星座导航性能与卫星生产成本的计算方法,并选取定位精度因子(PDOP)作为导航性能指标。介绍了基本粒子群算法和多目标优化的概念,提出了改进的多目标粒子群算法(MOPSO),给出了该算法的计算步骤和测试结果。讨论了导航星座多目标优化设计的数学模型,列举了优化设计变量的定义域,采用MOPSO算法对导航星座进行了多目标优化设计,通过分析优化设计结果,说明了导航星座多目标优化设计方案的可行性。     

平均轨道根数与密切轨道根数的互换

基于双行轨道根数和简化普适摄动算法,提出平均轨道根数与密切轨道根数的互换算法。以在轨Tan-DEM-X编队的双星为例进行仿真。与传统的只考虑J2项摄动短周期影响的转换算法相比,本文提出的互换算法精度更高：由平均轨道根数转换的密切轨道根数与STK 8软件给出的结果一致;由密切轨道根数转换的平均轨道根数与北美防空司令部公布的双行轨道根数一致。仿真结果表明该互换方法具有科学性和工程应用价值。     

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)收敛时间过长的问题,提出了利用低轨卫星(LEO)几何结构变化快的优势,增强GNSS非差非组合PPP(UPPP)的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据,比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明：混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时,各测站收敛时间减少60%～80%,70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时,CL和GCL组合系统的收敛时间相当,ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10～20 min下降至3 min以内,原因是混合LEO增强BDS定位时,大大改善了卫星的空间结构。     

Investigating suitable orbits for the Swarm constellation mission – The frozen orbit

This paper proposes a suitable orbit design for the lower pair of ESA's Swarm constellation mission, flying side-by-side in near-polar and circular orbits with a separation of only 1.4° at ascending node. Both orbits are suggested to be frozen orbits to minimize the evolution, and an along-track separation strategy is applied to avoid collision risk. The characteristics of the proposed orbit type are examined through numerical techniques including high-fidelity perturbation models. The prime change from the initial configuration is an along-track separation. The perturbations causing the along-track drift are analyzed by switching on/off certain perturbations. The results indicate that the tesseral harmonics and the atmospheric drag yield dominant effects. The atmospheric drag effect shows a dependence on the local time of the ascending node. From two months of orbit propagation for the altitude 300 km the maximum along-track drift we obtain is about 80 km, which is still within the measurement requirement range. Several maneuver strategies for maintaining the proposed orbit design are suggested. The results analyzed for the proposed orbit design show that collision risk can be avoided by along-track separation within the frozen orbit design. Consequently, this combination is considered as a suitable approach for Swarm's lower pair.     

基于地月三角平动点的卫星自主定轨

近年提出了利用地月系平动点建立深空导航星座的设想。在受太阳摄动的真实力模型下,地月系平动点是不稳定的,从而会导致导航星座必须通过控制才能定点在特定区域。针对此问题,引入一种特殊的平动点轨道,即动力学替代轨道。平动点轨道卫星星座可利用星间测距数据自主定轨,由于动力学替代轨道具有长期稳定性,整个自主定轨过程不需要来自地面的测控支持,且定轨精度可达到观测精度。研究结果表明,观测资料的长短、导航卫星垂直白道面的运动分量都将影响到导航星间的自主定轨精度。该研究成果可以应用在以后的地月系导航星座中。     

基于BDS-2/BDS-3联合处理的北斗超快速钟差预报优化策略

针对北斗卫星导航系统(BDS)钟差预报产品无法满足高精度快速服务需求的现状，提出了一种基于BDS-2/BDS-3联合估计的超快速卫星钟差预报优化策略。区别于传统两步法预报模型，利用稀疏建模方法一步求解所有模型项，并通过BDS-2/BDS-3星间相关性实现了模型系数解的增强；为进一步降低模型残差的影响，基于残差序列时空相关性，利用半变异函数重构了模型估计的权阵。为验证提出的钟差预报模型，设计了12套对比方案，实验结果表明：基于稀疏建模的钟差模型参数一步估计可略微提高钟差预报精度；通过引入星间相关性对随机模型进行精化，钟差序列一步建模可分别将BDS-2与BDS-3卫星钟差18h预报精度提升28.6%与27.2%；基于半变异函数建模的模型残差相关性提取，可实现BDS-2与BDS-3预报钟差精度8.0%与11.1%的提升。因此，提出的优化策略对当前北斗超快速卫星钟差预报产品精化具有重要意义。     

LEO移动通信星座的网络综合连通度研究

 为了研究通信星座服务区域内不同地面用户之间的通信连通情况,提出了网络综合连通度(DCNC)的概念.作为服务可用性(AoS)的重要内容,网络综合连通度应该成为通信系统的一项重要性能评价指标,对系统的顶层设计起到主导作用.首先给出了星座网络综合连通度的相关定义,在此基础上基于星间链路约束和星座覆盖约束建立了LEO移动通信星座的网络综合连通度的评价模型.然后基于该模型,分别改变轨道高度和轨道倾角,就不同星座的网络综合连通度如何变化进行了仿真计算和分析.结果表明,二者都对星座的网络综合连通度有显著影响,适当减少轨道面数有利于改善网络综合连通度.最后研究了星座缺失卫星时不连通地面点的纬度分布情况,研究结论有助于在概念设计阶段对星座构型优化后的参数进行优选.     

共轨迹卫星星座的优化设计及应用探讨

引入了初始卫星和时差的概念,通过仿真实验和优化设计,给出了一种针对我国区域特性的共地面轨迹中轨卫星(MEO)星座。同时利用该星座所具有的较好二重覆盖特性,提出了综合运用静止卫星(GEO)和MEO星座组成卫星区域导航系统的方案,并通过仿真模拟确认了该方案的可行性。     

Dynamical behaviors and relative trajectories of the spacecraft formation flying

To describe the relative motion of spacecraft formation flying, this paper presents a method based on relative orbital elements, which is suitable to elliptical orbit with arbitrary eccentricity. The long time formation flying conditions are theoretically derived taken into account the relationship between relative motion and relative orbital elements. These conditions include that both the orbital periods of all participating spacecrafts should be the same and other relative orbital elements should be small enough. The expected relative distance of the spacecrafts would determine the magnitudes of such relative orbital elements. Theoretical analysis and numerical simulation results show that the spacecrafts with sufficient small relative orbital elements can keep long time formation flying without any active control when the orbital perturbations are not considered. The results also show that Hill's equation is only suitable for describing a short time formation flying.     

基于相对轨道要素的航天器相对运动碰撞分析

采用基于相对轨道要素的方法,建立了计算碰撺概率的数学模型.在二体圆轨道条件下,推导验证了与基于Clohessy-wiltshire(C-W)方程的碰撞模型的等价关系,并解决了C-W方程存在的若干问题.在航天器近距离相对运动构型设计中提出了基于相对轨道要素的碰撞分析方法,突出了相对轨道要素在构型设计以及碰撞分析中的作用....     

具有指定闭环极点的最优控制系统鲁棒稳定摄动界

对线性二次最优控制系统,给出了选择适当加权矩阵从而保证系统具有希望闭环极点的方法。加权矩阵可以通过与期望极点有关的变换阵来调节,使得系统具有希望的动态品质。针对这种闭环系统存在不确定扰动时,得出了保证系统稳定的不确定摄动界     

北斗空间信号误差统计特征及描述方法研究

通过对比北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)广播星历与事后精密星历,提取了轨道和卫星时钟误差。基于北斗轨道误差及北斗卫星时钟误差统计特征分析,构建区别于全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的BDS空间信号用户测距误差(Signal-In-Space User Range Error,SISRE)描述方法,对BDS广播星历中用户测距精度(User Range Accuracy,URA)进行了验证。6个月的北斗数据测试结果表明,北斗GEO、IGSO和MEO卫星的URA分别为3.0m、1.9m和1.6m。     

面向高轨空间的北斗导航性能增强星座选型研究

由于高轨空间超出北斗卫星导航系统的正常服务区域,导航信号微弱、可见性差,难以实现高轨飞行器全程稳定可靠的导航定位服务。提出了以空间卫星为时空基准传递平台,向高轨空间区域发射导航信号,从而提高高轨飞行器导航性能的方法,并展开面向高轨空间的北斗导航性能增强星座选型研究。基于卫星可见性、精度衰减因子（DOP）、信号接收门限和所需增强卫星数目等评估指标,仿真分析了基于LEO星座、MEO星座和HEO星座的北斗导航增强性能。     

MEO/LEO双层卫星网络中层间链路的连接度分析

作为未来卫星移动通信系统的一个重要的研究方向,提出了一种由MEO卫星和LEO卫星共同组成的双层卫星网络(Double-Layer Satellite Network,DLSN),以更好为用户提供多媒体服务.作为多层卫星网络的一个重要的研究内容,连接不同高度上卫星的层间链路(Inter-Orbit-Links,IOLs)的特性对于整个DLSN网络的性能会有很大的影响.根据所设计的多层卫星网络的星座参数,通过对层间链路几何特性的研究,分析了多层卫星网络中MEO卫星与LEO卫星的连接度性能.采用计算机仿真的方法,给出了层间链路连接度的特性.结果表明,为了提高网络性能,在多层卫星网络中应按照一定参数有选择的建立层间链路,而不是简单的采用视距可见原则建立层间链路.     

仅用作航空器追踪的北斗机载设备适航要求分析

北斗卫星导航系统（简称北斗）在民用航空器中安装应用的前提是明确和符合北斗机载设备的适航要求。但由于全球定位系统（GPS）与北斗在星座结构、信号体制及功能上的不同，导致目前国际上全球卫星导航系统（GNSS）相关适航标准不适用于北斗设备。标准的缺失严重制约北斗民航产业发展，急需进行自主研究与制定。针对北斗在民用航空器中应用第一阶段的功能及场景，即仅用作航空器追踪，分析当前可参考标准的适用性，明确适航要求的制订策略及框架，综合考虑适航安全性、民航对北斗机载设备的紧迫需求，未来机载设备的发展方向，以及当前工业水平，提出一套仅用作航空器追踪的北斗机载设备适航要求，形成审定要素及评审要求，可支持工业方对适航标准的理解。     

Analytical solutions for Earth discontinuous coverage of satellite constellation with repeating ground tracks

This paper presents an analytical model for calculating the Earth discontinuous coverage of satellite constellation with repeating ground tracks by integrating and extending the application of coverage region and route theory. Specifically, the visibility condition for a ground point is represented as a coverage region in the two-dimension map of visibility properties, and the trajectories of satellites with circular orbits and repeating ground tracks are converted to several inclined lines in t...