中、低轨道卫星精密定轨的最新水平

本文叙述了近几年来对中、低轨道卫星精密定轨的研究测量结果，有数据中继卫星系统定轨、全球定位系统定轨和Ｄｏｒｉｓ定轨三种方法，定轨精度可达几厘米（ｃｍ），测速精度可达０．６ｍｍ／ｓ。     

基于星载GPS的资源三号卫星精密定轨

资源三号卫星是我国首颗民用立体测图卫星,于2012年1月9日发射。卫星上配备有国产双频GPS接收机。利用非差双频GPS数据,基于卫星动力学原理和事后批处理定轨模式,采用30小时弧段（重叠弧长为 6小时） 对资源三号卫星进行了精密定轨,卫星位置重叠弧段精度平均为4.95cm。利用卫星激光测距（SLR）观测数据对星载GPS定轨结果进行了检核,检核精度优于4cm,无明显系统偏差。结果表明,该定轨精度完全能够满足资源三号卫星任务的要求。     

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．     

拟合摄动力函数在低轨卫星定轨算法中的应用

为降低卫星定轨中摄动运动方程计算的复杂性，根据低轨卫星动力学模型，在考虑二体作用力和地球非球形引力J2项摄动条件下，以拟合函数表示其余的摄动力，并采用扩展卡尔曼滤波（EKF）算法，提出了一种基于拟合摄动力函数的低轨卫星自主定轨滤波算法。仿真结果表明，该法可明显减少计算量，缩短滤波收敛时间，提高卫星的实时处理能力。定轨精度为：位置方向70．7m（1σ），速度方向0．16m／s（1σ），可满足一般低轨卫星的精度要求。     

DORIS星载实时定轨算法仿真及DSP实现

针对我国高分辨率空间对地观测专项的发展需求,文章在星载多普勒无线电定轨定位（Doppler Orbitography and Radio-positioning Intergrated by Satellite,DORIS）系统的实时定轨算法和流程验证基础上,进行了应用背景限制下的模型简化研究,用数字信号处理器（DSP）实现并验证了其星载实现的可行性和有效性。首先介绍法国星载实时定轨软件（DORIS Immediate Orbit Determination by Embarked,DIODE）及定轨原理,给出星载实时定轨算法的流程。通过网站下载的DORIS接收机搭载星数据,对星载多普勒实时定轨算法的观测量修正部分和卡尔曼滤波定轨算法进行验证。针对星载实现的计算简化要求,对算法中计算量较大的地球非球形引力摄动和章动模型进行研究,对比不同模型复杂度对定轨结果的影响,为定轨算法模型的选取提供依据。最后将移植到DSP的程序运行结果与个人计算机下的仿真结果进行了对比,验证其星载实现满足精度要求,同时运行时间满足实时性要求。对如何提高实时定轨算法的性能,文章给出了后续应用的改进方向。     

基于地面图像的卫星自主定轨方法可观测性及定轨性能分析

卫星自主定轨是航天发展趋势之一。近年来,高分辨率遥感卫星不断发展,为利用光学遥感图像进行自主定轨提供了可能。在此背景下,提出了一种基于地面特征点图像的自主定轨方法。通过构造局部可观测矩阵分析了该定轨系统的可观测性,并用局部可观测矩阵的条件数表征可观测度,估计系统的定轨性能。通过Monte-Carlo仿真实验评估了系统的定轨表现,结果表明:该定轨方法与多点定位方法相比可以得到更高的定轨精度。     

基于测距观测的静地卫星定轨精度分析

在卫星动力法定轨的协方差分析基础上,提出了一种针对地球静止轨道(GEO)卫星的简化定轨精度分析方法。根据GEO卫星的线性化状态转移方程,通过设定地面跟踪网坐标和卫星星下点经度计算叠加矩阵,由观测弧长和采样间隔直接计算定轨精度评定公式中的主要部分。公式扩展后,能比较各种系统误差源对定轨精度的影响,并将影响较大的作为附加参数纳入估计过程并重新评价定轨精度。用该法对10 m定轨精度的测距跟踪网优化设计和测距偏差对定轨精度的影响特性进行分析的结果表明,测量系统中的系统性误差可能以近20的放大倍率传播到卫星沿迹方向和法向,且不能通过自校准测距常值偏差提高定轨精度。     

多普勒跟踪测轨算法及测轨优化方法研究

一般的航天跟踪测量都包含伪码或侧音测距,而测距的校零问题一直是困扰系统可靠性的因素。文章通过对航天测控发展历程的回顾,深入探讨了通过多台没有测距功能的测速雷达进行定轨的多普勒跟踪测轨技术。成功地利用Levenberg Marquardt方法对非线性测量方程组进行求解,提高了定轨精度。并且通过对多普勒测速雷达的布站优化,证明六个以上测元可以对航天器定轨。     

低轨道卫星GPS精密定轨动力学方法的研究

结合低轨卫星简化动力学定轨算法,以及不同几何信息精度条件下的纯几何定轨和动力定轨精度比较,定量分析星载双频GPS实现精密定轨过程中的主要因素,得到星载GPS接收机性能设计所需的关键技术指标,为卫星精密定轨系统的顶层设计提供了科学合理的参考依据。     

基于联合定轨策略的星间相对测量自主定轨亏秩问题的改进

发展基于天基测控网的卫星测控定轨技术是克服传统地面测控方式缺陷的有效手段,而仅仅利用天基星间测量信息进行自主定轨易产生亏秩现象.为消除亏秩问题进一步提高定轨精度,本文以位置速度矢量作为轨道改进状态向量,对基于星间相对测量自主定轨亏秩问题的本质进行了再探讨,针对星间相对测量的三个应用领域中继卫星系统、编队卫星星座、双星定位系统提出了基于联合定轨策略的天地基测量信息融合的改进措施.以双星定位系统为例提出了数值融合联合定轨算法,并进行了联合定轨仿真实验.仿真计算结果表明,基于数值融合算法的联合定轨策略能够大大改善法方程系数矩阵的性态,两天观测数据下用户星定轨精度可以达到11.26米.     

卫星编队飞行相对轨道的确定

卫星之间相对轨道的确定对于多颗卫星编队飞行的控制和任务是十分重要的。结合空间圆形的编队飞行星座，本文给出了描述卫星近距离运动的C-W方程，讨论了空间圆形的编队卫星星座的构成，进而设定了利用激光仪测量星间位置矢量，并设计了Kalman滤波器来实现相对轨道的确定，分析和仿真结果表明，Kalman滤波器能够有效提高相对位置确定精度并给出相对速度的高精度估计。     

M估计在卫星轨道确定中的应用

基于卫星测控的测量方程和动力学方程,分析了传统定轨策略中观测方程误差模型的非正态性,推导了定轨方程,提出了一种基于M估计的卫星定轨方法,证明了相关的性质。仿真结果表明：基于M估计的卫星定轨方法可明显抑制粗差影响,提高卫星轨道确定精度。     

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。
     

星载加速度计数据在卫星定轨中的应用

基于传统的动力学法,以加速度计数据替代非保守力加速度,提出了一种用加速度计数据进行卫星精密定轨的模型。用美喷气推进实验室(JPL)提供的GRACE星星载加速度计实测数据进行了验证。结果表明,用加速度计可获得较准确的卫星瞬时加速度,其积分轨道的误差小于纯力学模型,从而提高卫星定轨精度。但由于动力学定轨法的固有特点,其定轨误差会随时间而增大。     

基于EKF容错滤波方法的编队卫星相对轨道自主确定

为避免因卫星测量野值导致的相对轨道估计与滤波精度下降,提出了一种基于残差正交性的扩展Kalman滤波（EKF）容错滤波算法的编队卫星相对轨道确定方法。根据卫星相对运动与相对位置量测方程,用残差序列方差的迹实现对野值的剔除及在线修正,保证滤波器有较强的鲁棒性、稳定性和精度。仿真结果表明：该法简单、有效,有较高的理论和工程应用价值。     

相对轨道自主确定方法的改进

编队飞行卫星相对轨道的确定具有重要意义。本文提出一种完全自主的定轨方案,在利用星间测量信息实现编队飞行卫星自主定轨的基础上,引入太阳敏感器测量信息,利用扩展卡尔曼滤波算法提高环绕星相对轨道确定精度。仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。     

北斗系统地固系自主定轨算法

为避免传统惯性系自主定轨算法中的多次坐标转换，针对地固系分布式自主定轨算法原理及其中的关键技术开展研究。给出在地固系中进行自主星历生成的总体框图，推导了地固系自主定轨算法的基本方程，提出一种新的以地固系位置速度为状态量的状态转移矩阵解析计算方法并分析其计算量，证明了地固系自主定轨算法可以进一步降低定轨算法复杂度，且无需上注地球定向参数进行坐标转换。使用仿真数据和真实在轨测量数据的测试结果表明，提出的地固系分布式自主定轨算法与传统算法定轨精度相当，说明了所提算法的可行性，验证了星载自主定轨原型软件的有效性。