基于我国深空站三向测量模式的数据精度分析

为了验证我国深空站三向测量模式的正确性,以同步星跟踪试验中的测量数据为基础,建立了站间同步修正算法和三向测量观测模型,通过与同步卫星的精密星历反算测量值比较,得到了测量数据的标定参数,结果表明,我国深空站测控能够实现dm级的测量精度,明显优于“嫦娥二号”测量的水平;同时利用测量数据进行定轨策略分析,最终实现了10 m量级的同步卫星定轨精度.分析结果为“嫦娥三号”探测器实施有效测控提供了依据.     

三向测量技术在深空探测中的应用研究

较详细地介绍了三向测量技术（包括三向测距和三向测速）,阐述使用三向测量的工程背景和重要意义,给出利用三向测量数据进行实时定位的数学推导,并分别对三向测距和三向测速原始数据的误差进行了分析;最后给出在＂嫦娥一号＂试验轨道段采用三向测量技术得到的残差分析结果。结果表明,在未进行站间时间同步的情况下,＂嫦娥一号＂卫星100km×100km环月轨道段三向测距误差约200m,三向测速误差约2cm/s,利用三向测量数据可以单独进行轨道确定,验证了我国后续深空探测中应用三向测量技术的可行性。     

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。     

月球重力场模型误差对CE-5T1探测器定轨的影响

利用嫦娥五号再入返回飞行试验拓展任务期间获取的探测器(CE-5T1)实测数据,采用内符合方法比较了3种重力场模型的实测数据定轨结果,发现采用GRAIL(Gravity Recovery And Interior Laboratory,重力恢复与内部实验室)重力场模型进行定轨的结果最优。相比于之前的嫦娥系列探测器定轨常用的LP(Lunar Prospector,月球勘探者)重力场模型,采用GRAIL重力场模型定轨后测距数据的残差降低了1个量级。进一步采用不同重力场模型进行轨道外推,定量分析重力场模型对不同类型轨道的影响,结果表明,对于倾角为90°的环月极轨道,不同重力场模型的轨道外推结果差异较小;而对于倾角为20°和40°的环月轨道,不同重力场模型的外推星历的偏差均方根可达到2km,大于当前环月探测器的定轨精度。为此,建议在后续探月任务中使用GRAIL重力场模型进行轨道确定。     

嫦娥三号着陆器统计定位精度分析

“嫦娥三号”将在月球放置着陆器,实现月面软着陆,因此,需要对着陆器进行精确定位.本文简述了月球着陆器的统计定位方法与协方差分析理论,分析了影响统计定位精度的主要误差源.基于现有测控条件,从跟踪弧段和测量数据组合2个方面,对“嫦娥三号”着陆器的定位精度进行了分析.针对短弧条件下单站测距数据定位不稳键的问题,提出了结合月面高程约束的定位方法.协方差分析结果表明：高程数据的使用可以实现单站30 min测距优于1 km的定位精度;当观测数据累积至3d时,单站测量与VLBI（Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量）的不同组合可以实现同等量级、优于百m的定位精度;测量系统差是制约定位精度的主要因素,完全标校测量的系统偏差则能实现10 m左右的定位精度.     

基于伪距信息的COMPASS-MEO导航卫星单星定轨分析

COMPASS-MEO导航卫星的伪距观测量包含星站距离、接收机钟差和卫星钟差以及各种噪声。本文首先分析了接收机钟差和卫星钟差在一定间隔内主要表现为线性变化的特性,可以考虑将接收机和卫星钟差作为测距的偏差和偏差变化率和轨道一起进行求解。其次,利用实测的MEO导航单星伪距数据,进行了数据预处理和定轨试验,分别对站间无时间同步信息和有时间同步信息两种情况进行定轨、残差分析和参数解算。使用重叠弧段、轨道预报和激光观测数据验证定轨结果的精度。结果表明,两种情况下的定轨结果无明显差别。该定轨方法可以运用于MEO导航单星精密轨道的计算。     

基于中继测量的环月探测器定轨能力分析

嫦娥四号月球探测拟首次实现月球背面的软着陆,测控与数传依赖地月L2平动点的中继卫星,并有望获取四程测量与星间测量数据。对基于中继测量的环月探测器测定轨能力进行了仿真分析,结果表明,中继卫星可较好地实现环月探测器连续跟踪;在定轨能力方面,中继卫星自身轨道精度是制约环月探测器定轨精度的重要因素,当跟踪弧段达到5h以上时,定轨精度趋于稳定,但轨道精度较中继卫星的轨道精度相差1个量级;对于星间链路测量,除中继卫星自身的轨道精度外,星钟的稳定性是制约定轨精度的另一个重要因素,如果辅助以每天1h的地基跟踪亦可实现优于百m的定轨精度。     

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。     

纳卫星激光反射器光机设计及激光测距分析

针对我国首个大气密度探测纳卫星高精度测轨应用需求,设计了重量约112g、有效反射面积大于1cm2、外形尺寸为Φ96mm×20mm的轻型八棱台结构被动型激光反射器,作为无功耗载荷应用于纳卫星激光精密测轨,解决了纳卫星高精度独立测轨和外部轨道精确标定问题。利用地面激光测距台站开展卫星跟踪和精密测量,提供亚厘米级精度的激光测量数据。根据激光雷达测距方程及地面测距系统参数,分析了纳卫星激光回波信号强度,以及激光观测数据精度。测量结果表明,纳卫星激光反射器设计结果与实测数据相符,测距数据精度达8~9mm,可以满足纳卫星高精度激光测距要求,并支持卫星精密定轨及大气密度探测科学任务。     

嫦娥三号动力落月段轨迹确定策略

针对CE-3（嫦娥三号）月球探测器动力下降弧段,特别是悬停避障段频繁机动的特点,提出了采用B样条函数逼近方法进行落月轨迹确定.仿真分析表明：在动力下降运动较平滑弧段,B样条逼近法计算结果略优于多项式拟合法;而在频繁机动弧段,B样条逼近法有明显优势.计算结果表明,加入VLBI（Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量）数据后能有效提高落月轨迹确定精度,在没有系统误差的情况下联合定位后位置精度优于50 m.此外,还分析了三向测量系统差对定位的影响,可对CE 3任务提供参考.最后对CE 3实测数据进行处理,动力落月段末点位置和着陆器定位计算值相差不到200 m.     

空间飞行器的多普勒实时自主定轨精度分析

空间飞行器需要实时的高精度轨道信息来完成对栽荷的指令操作和遥感数据的实时处理。除了星栽GPS技术,星载多普勒无线电定轨定位系统（DORIS,Doppler Orbitography and Radio—positioning Intergrated by Satellite）是仅有的有能力提供分米级精度的实时在轨轨道确定技术,它可通过测量星地相对多普勒频移,在星上完成实时定轨和预报,目前该技术已在国外多个卫星上实现,达到了较好的效果,而我国还没有建立这样实时自主定轨系统。为此,结合我国高分辨率空间对地观测系统的建设需求和我国航天器对实时自主定轨及其精度的要求,利用扩展卡尔曼滤波算法对多普勒测量进行了实时自主定轨仿真计算,分析了频率偏差估计与否、初轨误差、地面信标站地理分布以及观测精度等对实时自主定轨的滤波收敛时间和定轨精度的影响,为我国利用DORIS技术进行实时在轨轨道确定提供方案和软件原型。仿真计算表明,基于28个全球分布的地面站,对于高度为800km的卫星,在忽略其动力学模型误差的假设下,若初轨三维位置、速度误差分别为100m（或差至1km）、1m／S（1d）,2h后滤波可以达到稳定收敛,收敛后的实时定轨误差可以达到0．1m（1d）。滤波估计参数除了6个卫星轨道状态参数,还估计了地面信标相对于卫星超稳定振荡器的频率偏差;     

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%。     

月球重力场模型精度比较研究

从阶方差、谱域分析以及大地水准面自由空气重力异常3个方面分析了月球重力场模型LP150Q,LP165P与SGM150各自的特点及差异,研究结果表明,SGM150重力场在中高阶项上得到了明显改善,在远月面可以发现明显的重力异常正负交替的现象。另外,对"嫦娥二号"变轨试验期间的测轨数据进行了轨道解算和预报,比较不同重力场模型的精度影响,发现基于SGM150模型的解算结果优于基于LP150Q和LP165P的,在定轨弧段内有10m量级的精度提升,可用于高精度的月球探测器精密定轨。     

国内外深空探测器精密定轨软件研究综述及WUDOGS简介

深空探测器精密定轨软件系统的研制在深空探测活动中是一个非常重要的环节,一直受到各大航天机构的重视。针对国内外深空探测器精密定轨软件平台的研究现状,重点介绍了具有代表性的美国JPL(Jet Propulsion Laboratory,喷气推进实验室)的DPTRAJ/ODP(Double Precision TRAJectory program/Orbit Determination Program,双精度轨道程序/定轨程序)和MONTE(Mission analysis,Operations,and Navigation Toolkit Environment,任务分析、操作和导航工具箱环境),GSFC(Goddard Space Flight Center,戈达德航天飞行中心)的GEODYN-II以及法国CNES(Centre National dEtudes Spatiales,国家空间研究中心)的GINS(Géodésie par Intégrations Numériques Simultanées,同步数值积分大地测量)软件系统,对这些软件的结构与功能进行了总结。之后对武汉大学自主研制的深空探测器精密定轨软件系统WUDOGS(Wuhan University Deep space Orbit determination and Gravity recovery System,武汉大学深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统)的主要模块与功能进行了介绍,通过与GEODYN-II的交叉对比验证,表明:对于探测器的轨道预报,WUDOGS与GEODYN-II的1个月位置差异小于0.3mm,2d位置差值小于5×10~(-3) mm;双程测距、双程测速的理论计算值和GEODYN-II的差值RMS(Root Mean Square,均方根)分别在0.06mm,0.002mm/s的水平;WUDOGS目前已初步具备了月球和火星探测器精密定轨能力。最后对WUDOGS的下一步发展方向进行了展望。     

地球静止卫星精密测定轨技术的现状及发展

介绍并分析了针对地球静止卫星的各种高精度测定轨跟踪技术.指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨在沿迹方向和法向的主要误差源,为保证一致的卫星三维位置解算精度,应利用高分辨率的角度观测约束信息来有效地降低测距偏差对轨道确定的影响,或者利用天地基联合定轨的低轨卫星运动几何在轨道改进的同时精化测距偏差.     

单颗导航卫星的轨道确定

讨论在导航星座只有一颗卫星时，不依赖于时间同步系统的卫星定轨策略和精度分析。采用历元间差分算法，在消除钟差的主项（低频）误差后，将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据，并对其建立测量模型。仿真分析表明，此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度，利用实测的GPS数据进行轨道确定计算，计算结果表明，采用历元间差分算法，利用国内观测台站3天弧段的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨，其径向精度优于10m，利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13．8m。     

CE-2小行星探测试验轨道快速重建研究

"嫦娥二号"实施小行星探测试验,与小行星交会时卫星距离地球约700万km,此飞行阶段卫星定轨计算精度非常依赖于测轨数据的弧长。卫星最后两次轨道修正只有13天时间,而实现小行星拍照试验指标要求轨道精度优于15km。如何利用有限的测轨数据实现高精度定轨是小行星探测试验必须解决的重要问题。针对控后跟踪弧段有限的特点,以10月9日控后飞行阶段为分析对象,设计了不同的定轨策略,并比较定轨计算的精度。计算结果表明,融合轨控前后的测轨数据开展定轨计算,可以有效提升定轨计算精度。利用控前1个月和控后10天的测轨数据进行定轨计算与控后6周数据定轨计算精度相当。     

基于沿迹差修正部分轨道参数的两步法定轨

通过分析预报误差与轨道确定参数误差的关系,提出一种使用二次多项式对沿迹差随时间变化的函数进行拟合,并根据拟合结果修正半长轴、面质比参数误差的定轨方法.仿真计算表明：对于稀疏观测数据,该方法的处理结果优于常规的最小二乘轨道确定方法;对于高度在400 km以上的低轨目标,根据该方法得到的定轨结果,预报5d的位置误差小于22 km,与SGP4（Simplified General Perturbations Version 4,简化普适摄动4）/SDP4（Simplified Deep space Perturbations Version 4,简化深空摄动4）水平相当.该方法是一种适用于双屏电子篱笆稀疏观测数据的批量数据轨道确定方法.     

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。     

基于北斗三号PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递

面向精密可靠的远程时间传递需求,提出一种基于北斗三号PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递方法。该方法利用北斗三号精密单点定位(precise point positioning,PPP)服务提供的精密轨道改正数,根据实时载波相位单差技术估算异地接收机的相对钟差,实现高精度时间传递。基于中国及周边地区6个跟踪站连续多天的北斗三号系统观测数据开展试验,验证了该时间传递方法的性能。试验结果表明:零基线时间传递结果的标准差优于0.03 ns。与事后PPP时间传递相比,长基线时间传递结果差值的标准差优于0.3 ns,时间传递天边界连续性更好。基于北斗三号PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递方法,不依赖精密卫星钟差,能实现亚纳秒量级的时间传递精度,具有易于实现、连续性好的优势。试验结果可为北斗精密时间服务提供一定的参考。