地磁扰动期间低轨目标轨道预报的误差修正

针对地磁扰动期间大气密度变化造成的低轨目标较大的轨道预报误差,提出一种根据POES卫星观测的极光能量注入数据改进短期轨道预报的方法。分析表明CHAMP卫星的沿迹大气密度及轨道衰减与极光能量注入具有较好的相关性。通过线性回归方法,建立轨道半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式,并使用修正后的阻力调制系数取代两行元(TLE)中的该系数带入SGP4模型进行位置预报。该方案考虑了外推过程中地磁扰动引起的大气密度响应,能更准确地反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。将其应用到2008年CHAMP卫星和国际空间站的轨道预报中,结果表明,半长轴和位置的预报误差可分别降低50%和30%左右。进一步对不同年份、不同轨道高度的目标进行了预报误差修正的分析,验证了该方法的普适性。     

基于小波变换的卫星阻力系数分析

以不同弧长解算天宫一号空间实验室连续55天（d） GPS轨道数据得到卫星阻力系数Cd 序列,并对同期的太阳辐射通量 f 10.7 和地磁活动指数 ap,Ap序列高、低频多层小波分解。空间环境参量和Cd 序列各层信号滑动相关性的统计分析结果表明小波分解的阻力系数序列与对应的 f 10.7 ,Ap 序列整体具有很好的滞后相关性,验证了通过 f 10.7 ,Ap 预报 Cd 的可行性。对不同回归模型和回归分析样本序列长度n分析Cd预报值残差表明：采用f 10.7 一元回归模型,并取n20 d时, Cd 预报结果最优。另外,NRLMSIS-00模型在350km高度的中低纬度区域,地磁活动上升相响应过度,而下降相则响应不足;太阳辐射通量上升相响应适度,下降相响应过度。最后对应用前景进行总结,该方法对提高航天器轨道预报精度具有重要参考价值。     

一种提高空间实验室定轨精度的方法

以近地航天器轨道动力学为基础,建立变阻力系数大气摄动模型,设计了求解变阻力系数的算法。然后利用天宫一号飞行器的测轨数据进行计算,分析了空间实验室飞行高度的轨道特性,其中包括：大气模式密度误差、变阻力系数与空间环境关系、定轨残差和星历误差。在空间环境平静和磁暴的条件下,制定了多种求解变阻力系数的策略,解决了空间实验室长弧段定轨精度受限的问题,并在空间环境平静条件下实现了优于10米的定轨精度,在磁暴条件下实现了优于20米的定轨精度。     

应用星载GNSS接收机的Molniya轨道卫星测定轨方法

针对传统地基测定轨技术应用于Molniya轨道卫星时跟踪弧段不足和定位精度低的问题,提出了应用GNSS信息的测定轨方法,以满足任务对定轨和预报精度要求。分析了Molniya轨道对GNSS星座的导航信息可用性,研究了应用GNSS导航解的轨道确定及预报方法,仿真计算了两种数据精度模式下导航解作为测量数据参与轨道估算的定轨预报误差,并分析了测量轨道圈数和跟踪模型偏差等因素对定轨预报精度的影响。仿真结果表明:利用2圈的导航解参与运算的定轨误差在15m以内,预报6天的位置误差在60m以内。此方法具有精度高、稳定性好和数据需求量少等优点,对未来大椭圆轨道卫星测定轨工程实践具有借鉴意义。     

天基空间目标监视的短弧段定轨技术

利用两个短弧段的天基测角资料实现对空间目标的轨道确定是天基空间目标监视系统需解决的重要问题之一。提出利用二体轨道的角动量和能量守恒方程计算空间目标初轨的新方法,该方法将短弧段的主要测量信息表示为弧段属性,由两个短弧段的弧段属性建立守恒方程,采用变量替换法求解守恒方程获得多个初轨,通过方差分析从中选择合适的初轨。针对轨道改进中的迭代发散和收敛于局部极小点的问题,提出了选取多个迭代初值进行轨道改进的采样方法。仿真结果表明,初轨确定算法是可行的,轨道改进能成功解算最小二乘轨道。     

XNAV算法及其整周模糊度确定方法研究

X射线脉冲星导航(XNAV)是一种新型的航天器天文导航方法.研究了利用脉冲星脉冲相位观测信息进行导航卫星自主定轨的算法.首先分析了X射线脉冲在卫星和太阳系质心之间的传播时间方程,然后利用卫星与太阳系质心之间的相位差分观测量建立了系统的观测方程;结合导航卫星的轨道动力学特性,采用扩展卡尔曼滤波算法估计卫星的轨道.考虑到卫星轨道动力学预报得到的卫星位置值具有较好的精度,提出直接利用该位置预报值快速确定整周模糊度,并验证了该方法的可行性.数学仿真表明,该导航算法能够精确确定导航卫星在 l惯性系F的绝对位置.     

基于非线性约束的参数估计方法及其在轨道确定中的应用

基于非线性约束条件研究了一类不能求解析解的微分方程系统模型的参数估计方法.通过非线性系统模型和观测模型的线性化,用线性模型理论推导了非线性约束条件下的参数估计方法,设计了全局最优解的高斯牛顿迭代算法.某卫星轨道确定算例表明:该参数估计法的卫星轨道确定精度较传统最小二乘法提高约50%.     

长期姿控扰动情况下空间实验室轨道影响分析及建模

针对空间实验室连续偏航飞行模式的特点,分析长期姿控喷气对轨道的影响,设计大尺度航天器的天线相位中心修正算法,同时建立空间实验室组合体连续偏航飞行时姿控喷气的经验力补偿模型,解决了连续偏航飞行阶段的动力学精密定轨和预报问题。然后利用动力学建模分析了连续偏航期间的姿控喷气影响,其中每圈累积的速度增量在轨道系各方向上均小于1 cm/s,由轨道解算和遥测计算可知速度增量的量级一致。最后利用建模算法分析比较了空间实验室连续偏航飞行阶段的轨道精度,增加经验力模型补偿后的定轨精度优于10 m,预报1天的精度相比无经验力模型提高了1倍。     

分布式卫星轨道构形的大气摄动分析及修正方法

在低轨道运行的分布式卫星受大气摄动的影响,其轨道构形很快遭到破坏,环绕卫星的相对运动轨迹中心不断发生漂移。本研究的目的在于建立一种降低大气摄动对分布式卫星轨道构形影响的补偿方法,以使分布式卫星的轨道构形能够更好地自然维持。研究基于考虑高度变化和太阳周日变化的大气密度模型,得出分布式卫星不同初始相位环绕卫星的长半轴摄动方程。并提出一种补偿大气摄动影响的长半轴修正方法。仿真结果显示,采用此大气摄动补偿方法能够在给定时间内大大降低大气摄动的影响,从而显著提高分布式卫星轨道构形的自然维持能力。     

基于遗传算法的极短弧段天基轨道确定方法

天基光学观测系统采用恒星跟踪模式监视空间目标时获取的观测弧段极短,在极短弧段观测条件下,经典的轨道确定方法会由于求解方程的本征病态无法得到合理解。针对该问题,文章采用遗传算法对空间目标极短弧段轨道确定问题进行优化求解,建立了基于遗传算法的空间目标初始轨道参数求解的运算模型,并利用空间目标的分布特性进行分区域计算,从而有针对性地缩小搜索范围,提高了计算效率并避免解收敛到局部最优值。仿真试验表明:该方法能够利用天基极短弧段观测数据正确估计空间目标初始轨道参数,定轨精度优于Gauss法与采用观测斜矩作为优化变量的方法。此方法为精密定轨提供有效初值,提高多个短弧段之间的关联性,由此可为天基光学观测平台的空间目标监视、跟踪以及编目任务提供参考。     

嫦娥二号探测器轨道确定与支持

针对嫦娥二号探测器直接进入地月转移轨道、距月面100km高度捕获月球、完成既定任务后飞往日地第二拉格朗日平动点等飞行轨道方面的新特点,分析了定轨预报策略,利用事后精密轨道,全面评估了关键变轨点定轨预报和变轨后快速定轨的精度,其中,近月制动前3h定轨预报至近月点的位置误差为1km,速度误差为 0.3m/s 。利用不同月球引力场模型进行环月轨道精密定轨,根据实测数据残差分析和精密星历比对的结果,采用SGM100h引力场模型的定轨残差均方根最大。此外,针对嫦娥二号扩展任务,分析了不同测轨条件下的定轨精度,测量数据残差分析结果表明,在扩展任务中途修正前的定轨弧段内,测距、时延和时延率数据的残差分别为5m,5ns和1ps/s。     

CE5T拓展试验轨道精度分析

针对嫦娥5T服务舱(CE5T)拓展试验中的绕地大椭圆轨道，分析了轨道动力学演化趋势，通过测轨数据类型组合策略分析了统一S频段测量(USB)和甚长基线干涉测量(VLBI)在定轨中的贡献，得到了百米级的精密定轨精度；针对地月第二平动点(L2)绕飞轨道，分析了地心和月心积分的轨道动力学差异，制定了精密定轨的参数求解策略，得到了百米级的精密定轨精度；针对月球交会对接轨道的特点，选取三种不同的重力场模型定轨，比较了三者在轨道预报和数据拟合的差异，并与嫦娥3号(CE3)环月轨道的定轨精度进行比对，验证了不同重力场的适用范围，从计算精度和效率两方面制定了优化的定轨策略。     

基于星历拟合的短弧运动学定轨

当导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,传统的统计定轨理论难以实现精密定轨。首次提出 了基于10参数星历拟合的短弧运动学定轨方法,建立和推导了相应的理论模型和定轨解算方 法。其优点在于不仅能够反映卫星运动的物理学特征,提高了速度和轨道预报精度,而且不 需要累积数据,实现近实时快速计算,克服了动力学法定轨发散和单点定位无法获得速度信 息的不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10分钟短弧运动学定轨的位置精 度优于10 m,速度精度为2 cm／s,预报5分钟轨道精度为15.02 m,满足了短弧跟踪条件下R DSS对轨道精度的要求,实现了卫星精密定轨。
     

利用GPS非差观测值的GRACE卫星精密定轨

参照GPS精密单点定位（PPP，Precise Point Positioning）模型设计了一种新的卫星定轨方法一组合星载加速度计测量数据和IGS提供的GPS精密星历及精密钟差数据进行低轨卫星的精密定轨。利用星载加速度计提高卫星受力模型准确性，使动力法定轨精度和可靠性都得到提升。同时，采用多种改正技术提高GPS非差观测值测量精度，保证最终高精度卫星定轨。本文建立了卫星定轨的轨道滤波模型，得出了有益的结论，即采用星载加速度计测量卫星非保守力可提高卫星定轨精度，在ITRF2000参考系下三轴精度优于18cm。这种方法不需要在全球建市基准观测站．定轨设备简单．费用低廉．     

基于先验动力学轨道的星载双频GPS数据预处理

针对星载双频GPS数据预处理中的野值剔除和周跳检测问题,提出了基于先验动力学轨道的星载双频GPS数据预处理方法。与传统GPS数据预处理方法在数据利用上局限于GPS原始观测数据本身不同,该方法还利用了动力学定轨产生的先验轨道信息以及GPS卫星精密轨道、钟差数据,并构造接收机钟差估计量和接收机钟差差分值估计量来剔除野值和探测周跳,提高了野值剔除和小周跳探测能力。对CHAMP卫星在轨实测数据的处理分析表明,该方法可以探测出1周甚至0.5周的周跳,可为高精度定轨提供更“干净”的数据源。     

利用星载GPS数据进行海洋2A卫星快速精密定轨

针对海洋2A(HY2A)卫星快速精密定轨的需求,本文基于非差动力学方法,利用国际GNSS服务组织(IGS)和上海天文台GNSS数据处理中心（SHA）提供的超快速星历产品IGU和SHU,对HY2A卫星进行快速精密定轨研究。计算结果表明,以法国国家空间研究中心(CNES)提供的精密轨道作为参考轨道,联合超快速星历SHU和IGU的预报星历,可以确定径向厘米级精度的快速轨道。同时利用卫星激光测距（SLR）数据检核快速精密轨道,得到 SHU和IGU预报星历确定的快速精密轨道站星距方向残差的RMS分别为2.9和4.8cm。可见,利用SHU和IGU预报星历组合可以得到厘米级的快速精密轨道,对HY2A卫星的海洋环境监测和海洋灾害预警具有一定应用价值。     

PCE方法在空间实验室轨道预报误差分析中的应用

应用多项式混沌展开法(PCE)进行空间实验室轨道预报误差分析。通过构建PCE模型对轨道预报的不确定性传播过程进行近似，进而对轨道预报后航天器位置和速度的误差进行分析。分析了不同PCE模型阶数、预报时长以及样本点的数目对构建PCE模型的影响。综合考虑精度和计算效率，给出了适用于空间实验室轨道预报误差分析的PCE模型。将PCE方法与传统方法进行对比，结果表明PCE方法有较好的非线性近似能力，且计算效率高，验证了PCE方法应用于空间实验室轨道预报误差分析的有效性。