北京中心深空探测器精密定轨与分析软件系统

介绍了北京航天飞行控制中心针对火星探测任务所研制的深空探测器精密定轨与分析软件系统,描述了该软件系统开发的需求、功能设计和当前已经具备的能力,并用该软件进行了初步计算试验,结果表明该软件在MEX火星探测器定轨精度上可以达到与ESA的火星定轨精度相当的水平。此外,文章还给出了YH-1探测器定轨精度的初步仿真分析。     

卫星定轨综述

对卫星定轨中的热点问题作一综述,内容包括短弧定轨和长弧精密定轨。对于短弧定轨(通常指初轨),不仅从原理上分析其关键之处,还介绍如何将适用于无摄运动的特殊定轨方法推广用于同时考虑各种摄动的受摄运动,并可同时适用于圆锥曲线的各种情况：变化的椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道,后者在深空探测器的运动过程中将会遇到。对于长弧精密定轨,阐述当今提高精密定轨精度的力模型补偿问题以及几何定轨的提法,天地基网联合定轨和星-星相对测量的自主定轨问题。     

月球卫星精密定轨

随着空间应用需求的日益增大,深空探测已成为现实,而月球显然是人类走向深空的首选目标。发射月球探测器通常分3个阶段,其运动状态分别对应3种不同类型的轨道:近地停泊轨道、地月转移轨道和绕月轨道。月球是1个慢自转天体且无大气,就轨道解而言这些因素导致环月卫星的运动与地球卫星有所差别。本文针对月球探测任务的特点,从月球与地球的差别入手,在仔细分析月球卫星的受力状况前提下,着重阐述月球探测器在环月段精密定轨的方法原理和具体实现过程。     

金星探测器测定轨系统设计与试验验证

针对我国未来自主金星探测活动中的测量与导航实施问题,重点研究了地基测定轨系统的设计与实现,阐述了测距、测速和甚长基线干涉测量等能力,提出了基于我国金星探测测定轨系统设计方案,建立了高精度测量模型和定轨策略,并完成了软件实现。利用与欧空局联合开展的金星快车探测器跟踪试验,对该系统进行了初步验证,实测数据定轨结果与欧空局事后精密轨道的位置偏差优于485m,速度偏差优于5.5cm/s。试验结果验证了该系统的数据处理和轨道计算能力达到欧空局金星快车探测器同等水平,初步检验了该系统测量数据处理和轨道确定部分的正确性、有效性,可为后续我国自主金星探测提供测定轨技术支持。     

导航卫星的短弧运动学定轨

导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,由于观测数据有限,传统的统计定轨理论难以实现导航卫星精密定轨。本文尝试采用一种不依赖轨道动力学的、新的运动学定轨方法来处理短弧和复杂动力学过程中的定轨,提出了基于多项式拟合的短弧运动学定轨算法,并提出2种不同的实现方案。该算法充分利用了高采样率的测轨数据,减少了结果的噪声,其优点在于不需要长时间累积测轨数据,可以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卫星速度信息等不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10min左右短弧运动学定轨的位置精度可以优于10m,速度精度优于4cm/s,满足了短弧跟踪条件下RDSS对卫星轨道精度的要求,实现了短弧跟踪条件下卫星精密定轨,但从轨道预报精度来看,该方法仅仅适用于短期预报。     

关于初轨计算

初轨计算通常是指在二体问题意义下的短弧定轨,为了适应测量精度的提高和深空探测(包括月球探测)轨道器所涉及力学模型的需要,给出一种在测角资料背景下,同时适用于无摄和受摄运动的初轨计算方法。而且,该方法不仅适用于椭圆轨道,亦适用于双曲线轨道,拓宽初轨计算的传统范畴。     

双线程滑动窗口多系统GNSS超快精密定轨实现及评估

全球导航卫星系统（GNSS）超快精密定轨为GNSS实时应用提供了高精度空间基准。基于天地协同定位、导航与授时（PNT）网络服务中心实现了四系统GNSS卫星超快精密定轨,并对定轨结果进行精度评价。介绍了天地协同PNT网络的概念内涵以及网络服务中心部署的超快精密定轨软件架构和详细功能,并针对实时应用需求提出了一种双线程滑动窗口超快精密定轨策略。最后利用重叠弧段比较、与外部轨道产品比较以及卫星激光测距（SLR）检核3种方式对定轨结果进行了精度评价。结果表明,与武汉大学分析中心的最终事后精密轨道产品相比,四系统GNSS MEO卫星预报6 h弧段的径向均方根（RMS）误差整体在2~5 cm水平,BDS2 IGSO卫星最小一维RMS误差在10~15 cm水平;GPS和Galileo卫星的SLR检核残差均值在1~3 cm水平,标准差在3~6 cm水平,能够满足后续厘米级实时应用对空间基准的精度需求。     

利用DORIS测轨系统实现高精度定轨

仿真研究DORIS测轨系统,重点考察了大气密度模型误差、测量精度、测轨网分布对定轨精度的影响。仿真结果表明,除了测轨网的地理分布,动力学模型中的大气模型误差对中低轨卫星精密定轨结果影响也较大。对ENVISAT卫星的DORIS实测数据进行了定轨分析,结果表明实测数据的定轨精度比仿真精度大约低1个量级不到。综合仿真结果和实测数据进行精度分析,推断对800km高度的太阳卫星轨道,采用8个DORIS信标站布设,24h定轨,定轨三维位置精度可以达到29cm(1σ),其中径向误差为3.4cm(1σ)。若采用30个DORIS信标站布设,定轨精度可提高30%。     

深空测控通信的特点和主要技术问题

分析研究了深空测控通信的特点,对频段提高、灵敏度提高、G/T值提高、EIRP提高、编码增益提高、定轨精度提高、极窄带锁相、低门限接收和调制/解调方式等主要技术问题进行了探讨.     

星载GPS相位非差低轨卫星定轨及其精度分析

星载GPS相位非差低轨卫星事后精密定轨无需考虑复杂的动力学模型和地面资料，只需低轨卫星上的GPS观测资料和IGS的GPS精密星历产品，而且对于不同高度的卫星定轨都适用，计算简单、方便，能快速、高精度地确定轨道，同时还能确定部分动力学参数。本文在研究相位非差定轨方法基础上，对低轨卫星的误差影响及其处理措施进行探讨，给出了GPS相位非差定轨流程，编写了相应的定轨软件（SHKINE），并利用CHAMP卫星资料对定轨的可靠性和精度进行分析，表明：利用自行编写的SHKINE定轨软件对CHAMP卫星定轨，3个方向坐标精度为10cm-20cm，点位精度为30cm-40cm，能满足一般定轨要求，是一种简单方便、行之有效的定轨方法。     

基于自适应SRCKF的空间非合作目标实时轨道确定

针对天基测角对非合作目标跟踪定轨的动力学模型简化误差问题,提出一种基于非线性预测滤波和SRCKF(Square Root Cubature Kalman Filter,平方根容积Kalman滤波)的自适应滤波方法.采用考虑地球J2摄动影响的轨道动力学模型作为状态方程,在跟踪滤波过程中,用NPF(Nonlinear Predictive Filter,非线性预测滤波)对动力学模型进行实时修正,利用SRCKF对修正后的动力学模型进行状态估计.将该方法应用于高轨航天器对非合作低轨目标的实时测角定轨任务中,进行数字仿真,仿真结果证明,该方法相比传统的滤波方法具有更高的精度、更强的鲁棒性和稳定性.     

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。     

基于连续同伦算法的天基仅测角初定轨方法

要进一步提高天基短弧初定轨的精度,在观测资料精度较高的情况下,仅考虑二体问题是不够的,还应考虑轨道摄动的影响。因此,基于无摄初轨的单位矢量法原理和矢量斜分解方法,给出了考虑摄动的天基仅测角初定轨单位矢量法。针对天基仅测角观测条件方程组求解过程中易出现迭代不收敛或收敛到平凡解的问题,引入连续同伦算法求解观测条件方程组,提出了单星观测方式下的空间目标天基仅测角初定轨方法,并通过数值仿真算例验证了该算法在较大范围的收敛性和数值稳定性。     

自主机动条件下的实时定轨方法

中继卫星在跟踪自主机动用户目标时,由于机动轨道未知,需要利用中继卫星下传的星载GNSS(Global Navigations Satellite System,全球导航卫星系统)数据进行实时轨道确定与预报,为中继卫星跟踪提供实时的引导信息,以方便中继卫星快速捕获目标和连续稳定跟踪。针对该类用户目标的任务需求,讨论了基于星载GNSS数据自主机动条件下的实时定轨方法,建立了连续推力机动力学模型。以某一型号卫星的实测数据进行分析验证,并对轨道机动进行辨识,计算的机动加速度和机动时间与试验单位提供的结果一致。针对卫星不同机动情况,5min的观测数据定轨预报10min的弧段,最大位置误差小于8km,可以为中继卫星快速捕获提供高精度的引导信息。     

精确轨道航天器的姿态机动策略选择

航天器姿态控制一直是地面飞控的核心,尤其对于有精确轨道控制要求的航天器,姿态控制的策略选择直接关系任务成败。探月三期月地高速再入返回任务对再入角有着严格要求,为了实现返回器高精度再入,在系统介绍服务舱的姿态控制模式、控制方法和控制流程的基础上,提出了利用修改相平面参数和轮控调姿,以建立轨控姿态,从而减少姿控喷气,并提高轨控精度的方法。飞行结果表明,中途修正的控制精度从最初的分米量级提高至0.009m/s。高精度轨道控制使得提前32h再入角控制精度达到0.024°,较设计指标提高1个数量级。文中提及的轮控调姿方法可作为未来深空探测任务姿态控制的设计参考。     

基于相频约束的航天器定时技术

双向相干测距测速体制是最常用的航天器测量体制,是一种闭环体制.与之相比较,开环测距测速可以在信号更微弱的情况下获取到观测量,在深空任务中有着独特的意义.然而,开环测距也面临棘手的技术难题——高精度航天器定时技术.针对该难题,在保持现有航天器信号体制的基础上,阐述了基于遥测信号和测距侧音信号（差分单向测距DOR信号可看作侧音信号）间相频约束的航天器定时原理,研究了侧音频率最优化设计方法,给出了“器上发射测站接收”的初步实现方案,为后续开展工程应用奠定了基础.     

Highly accurate, noncoherent technique for spacecraft Dopplertracking

A two-way, noncoherent spacecraft navigation technique has been developed to provide velocity accuracy comparable to that available from a deep space coherent transponder (0.1 mm/s). The technique is compatible with the normal tracking procedures of the Deep Space Network (DSN) ground stations and does not require the use of a highly stable oscillator on-board the spacecraft. The measurement technique, potential error sources, and test results obtained with prototype hardware are described     

转发式测轨系统地面设备时延测量方法

受地面设备时延误差的影响,转发式测轨系统的卫星定轨精度受到严重制约。为实现卫星精密定轨,地面设备时延误差的精确补偿至关重要,因此需要对地面设备时延进行精确测量。采用一种外环设备时延测量方法,实现对转发式测轨系统地面设备时延的实时测量。经过试验验证和分析,结果表明地面设备时延测量稳定度优于0.3ns,修正地面设备时延误差后的卫星重叠弧段的轨道差RMS值优于2m。     

Basic performance of BeiDou-2 navigation satellite system used in LEO satellites precise orbit determination

The visibility for low earth orbit（LEO） satellites provided by the BeiDou-2 system is analyzed and compared with the global positioning system（GPS）. In addition, the spaceborne receivers＇ observations are simulated by the BeiDou satellites broadcast ephemeris and LEO satellites orbits. The precise orbit determination（POD） results show that the along-track component accuracy is much better over the service area than the non-service area, while the accuracy of the other two directions keeps at the same level over different areas. However, the 3-dimensional（3D） accuracy over the two areas shows almost no difference. Only taking into consideration the observation noise and navigation satellite ephemeris errors, the 3D accuracy of the POD is about30 cm. As for the precise relative orbit determination（PROD）, the 3D accuracy is much better over the eastern hemisphere than that of the western hemisphere. The baseline length accuracy is 3.4 mm over the service area, and it is still better than 1 cm over the non-service area. This paper demonstrates that the BeiDou regional constellation could provide global service to LEO satellites for the POD and the PROD. Finally, the benefit of geostationary earth orbit（GEO） satellites is illustrated for POD.