TDRSS利用成批最小二乘法和序贯法测定陆地星-4轨道的精度评定

哥达德航天中心飞行动力学部委托应用技术联合公司在基于DOS个人计算机上开发实时定轨/增强型系统(RTOD/E),作成卫星轨道序贯测定法的样机系统。本文介绍了研究结果,即比较了TDRSS用户星——陆地星—4利用在个人计算机上运行的RTOD/E的定轨精度和利用在主机上运行的哥达德测轨系统(GTDS)正规成批最小二乘系统的精度。陆地星—4测轨结果将为地球观测系统(EOS)系列卫星提供很有用的经验。确定了1992年5月18日到24日的陆地星—4的星历表,这一段时间有密集的TDRSS对其的跟踪数据。期间发生了二次独立的调轨机动,一次是TDRS卫星(东TDRS),另一次是陆地星—4轨道微调机动。对成批法和序贯法得出的轨道解进行了多种独立的一致性检验(成批法是重迭比对,序贯法是协方差和一次测量残差)。陆地星前向滤波的RTOD/E轨道解与确定性的GTDS轨道解进行比较;当滤波器进入稳态后,两轨道解的差一般小于30米。     

TDRSS轨道确定方法的初步研究

本文针对TDRSS(跟踪和数据中继卫星系统)的中继卫星(地球赤道同步卫星)至用户星(被跟踪航天器)的测距、测速资料,给出了这种星-星跟踪定轨的条件方程。根据星-星跟踪定轨、星-星跟踪和星-地跟踪混合定轨的各种情况(是否同时确定中继卫星轨道,一颗或几颗中继卫星等),给出了不同的测轨流程和方法。为了进行仿真计算,本文针对TDRSS的具体情况,给出了生成仿真观测资料和相关数据的方法,分析了仿真计算的功能。初步的部分试算表明,星-星跟踪对提高我国用户星的测轨精度确实具有重要作用;努力提高地球赤道同步卫星(中继卫星)的测轨精度,可以大大简化TDRSS用户星的测轨流程,有利于用户星的轨道确定。     

中继卫星系统按需接入业务应用模式研究

DAS(按需接入业务)作为一种新兴业务,不但扩展了美国TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)的多址返向能力,而且还采用模块化的体系结构,为未来的空间网络互联提供了支撑。根据规划,我国未来的中继卫星系统也将提供按需接入业务。因此,在简要介绍TDRSS DAS概念与体系结构,并对其用户分类、返向波束工作方式、典型操作场景、服务模式进行分析的基础上,总结出6种DAS应用模式:1)航天器用户+随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;2)航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+特定TDRS服务模式;3)航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;4)非航天器用户+随机接入+静态波束组合方式+特定TDRS服务模式;5)非航天器用户+随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;6)非航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+特定TDRS服务模式,以期能对我国未来中继卫星系统S频段多址业务的应用提供技术支撑。     

TDRSS双差分数据测轨方法研究

本文针对TDRSS(跟踪和数据中继卫星系统)的两颗中继卫星(地球赤道同步卫星)的双差分数据,给出了确定用户星(放跟踪航天器)轨道的一种方法。由于减小了中继卫星星历误差对用户星位置误差的影响,消除了中继卫星仪器误差,特别是完全消除了中继卫星、用户星和地面站问的任何时钟误差的影响,因此,对提高用户星测轨精度是十分有利的。     

TDRS星运行后的GSFC测控网操作

自第一个航天器飞入空间以来,哥达德航天中心(GSFC)一直在为其数据采集网的用户提供各种程度的支持。作为测控网发展计划的—部分,开发了 TDRSS 网(TN)以继续满足近地轨道先进航天器不断增长的通信和定软要求。网中各组成部分作了大范围的变更,这些变更的实施、纽装和测试阶段正接近完成,为1983年初开始发射 TDRS 系列星作好了准备。在宣布 TDRSS 可以全面支持所有用户之前,组装的最后阶段一定要在 TDRS 星入轨后,与 TDRSS 网的各实用组成部分一起进行全面的试验。TDRSS 网同以往测控网设计方案完全不同,它把网的商用部分和政府部分(即NASA 部分)组合起来成为一个高度自动化的端到端的系统。打算利用商用部分(即由一个中心地面终端监控的地球静止轨道的一系列卫星)来取代 NASA 现有的全球分布的地面站。NASA 部分(即政府部分)包括一系列的测控网设备,按照飞行任务支持型合同,为监控整个网提供特殊的勤务和服务。本文介绍了这种可以满足80年代和90年代初科学用户星要求的新型测控网。     

美国三代跟踪与数据中继卫星系统的发展

1983年4月,NASA将首颗跟踪与数据中继卫星（TDRS）送入地球同步轨道。经过20多年的发展,NASA已经部署了两代TDRS,当前正在发展第三代TDRS。本文介绍了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）的演变过程,讨论了每一代TDRS和地面终端站的采购策略与技术要求,比较了第一代和第二代TDRS的特性和能力,并给出了各地面终端站的当前配置情况。     

利用数据中继卫星确定卫星和运载火箭的轨道

利用数据中继卫星(DRS)获得低轨道用户航天器的距离和距离变化率测量值,与利用地面站获得这些测量值相比,具有明显的优越性。已经研究了利用DRS测量值,借助卡尔曼滤波法,估计低轨道用户航天器轨道的可行性,并且得出了明确的结论。对运载火箭上升段轨道估计问题也进行了研究,但至今还没有得出明确的结论。     

TDAS时代低地球轨道航天器的导航

九十年代将用跟踪数据采集系统(TDA5)取代现在的跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。现在正在研究通过该TDAS为用户航天器提供测轨/测时功能的各种方案。TDRSS中所用的双向测距和多卜勒跟踪仍然是TDAS地基导航的一种方案,但本文集中讨论单向测距和多卜勒跟踪的方法,具体说是: (1)正向线路信标跟踪(FLBT)——在用户星上处理由TDAS卫星连续播发的独立的导航信号; (2)正向线路定期跟踪(FLST)——在用户星上处理从TDAS正向线路定期跟踪期间所接收的导航数据; (3)反向线路定期跟踪(RLST)——在地面处理从TDAS反向线路定期接收期间用户星所产生的导航数据。比较了每种方法的系统结构以及要求,给出了导航性能评价的初步结果。该性能是用户航天器轨道、TDAS星座结构和其它参数的函数。接着将这些结果与TDAS任务模型中的精度要求相比较。最后讨论了上述各种方案对TDAS和用户航天器的影响,并指出了需进一步研究的问题。     

用全球定位系统对近地卫星进行高精度定轨

业已证明近地卫星在地球动力学和海洋学研究方面是非常有用的。但是,一项重要限制是卫星轨道状态的确定精度。一般通过处理由地面跟踪网所获得的无线电跟踪数据进行卫星定轨。使用这种地面无线电技术,目前所能达到的定轨精度为米级。对于地球动力学应用和完成海洋学的研究,必须将大地水准面测定到1m以下。本文研究一种应用GPS的定轨技术,采用新的测量方法和数据处理方法可改善定轨精度。我们利用干涉测量的方法来完成用户卫星的高精度定位。巧妙布置少量地面站,使任何一对地面站和用户星总能看见4颗以上的GPS卫星组成的星座。接着本文介绍了使用无线电干涉测量值定轨的误差分析结果,结果表明通过事后数据处理,用这种技术,卫星位置精度可达到所需要的分米级。给出的结果还表明无线电干涉测量对更精确的地球卫星轨道确定也是很有价值的。     

跟踪与数据中继卫星系统第二套地面终端站

在九十年代及后续的时间里,跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)第二套地面终端站(STGT)将为NASA天基网(SN)的用户提供高可用性指令和控制能力及更高级的服务。TDRSS这一天基网(SN)将是国际空间站和其它用户航天器及其地面支持部分的主要通信关口。STGT含有一套带备份的分布式计算机系统,对带备份的射频(RF)到基带的设备链进行组配与控制,以完成用户数据的透明传输、用户星的跟踪测轨和中继卫星(TDRS)的控制和监视。STGT与位于哥达德航天中心(GSFC)的NASA测控网控制中心(NCC)有接口,通过该接口对STGT进行自动调度和控制。STGT还备有一个TDRSS本地操控中心(TOCC2)和一套与国内通信卫星(DOMSAT)的接口设备。TOCC2用于本地监视和备份控制,接口设备用于数据分发。本文专门介绍STGT,并重点描述为用户航天器进行中继业务的各部分的配置及其监控情况。     

利用GPS射频多普勒确定低轨地球卫星的轨道

本文研究了使用这样一种GPS测量值——双差分GPS射频多普勒确定低轨地球卫星的轨道。该测量值很容易获得,而且不受时钟误差的影响,还可对用户卫星连续定轨。分析表明:使用18颗GPS卫星的星座和13个地面站,在两小时跟踪后,可使1300km高度用户星(TOPEX)的定轨精度达5cm。考察了使用少于13个地面站的影响,不同求解方法的影响以及引入虚假推力参数以减小重力模型误差(主要误差源之一)的影响。     

基于GPS跟踪技术的TDRS星测轨

本文评述了利用GPS和GPS有关技术确定TDRS星轨道的二种不同方法。第一种TDRS星上装GPS接收机,直接测得到GPS卫星的距离,以此确定TDRS星历,不需要地面测控网;第二种TDRS星发一适当的信标信号,地面多台接收机同时跟踪GPS和TDRS卫星。这两种方法都能满足未来TDRS—Ⅱ的测轨精度要求。     

利用TDRSS星上导航系统为地球观测卫星精密导航

地球观测系统卫星EOS—AM1的基本导航系统是TDRSS星上导航系统(TONS),为成象仪器标校和例行操作提供精密位置和速度信息。本文给出实时导航性能评价结果,看一下基于TONS的轨道和频率测定精度能否满足这一要求。给出了利用陆地—4卫星实际数据对EOS—AM1导航精度进行协方差分析和仿真研究的结果。研究了利用单向前向链路业务的局部(半圈)和全球(多圈)跟踪情况。还研究了利用比GEM—T3更精确重力模型提高导航精度的问题。本项研究的主要目的是评价额定性能、潜在敏感性并设法改进算法,例如TDRS星历加偏,电离层模型和重力过程噪声模型,这些都是已经准备采取的措施。结果表明TONS可以做得满足已明确的仪器导航精度要求—20m(3σ)。     

美国跟踪和数据中继卫星系统的成就

美国航空航天局的第一颗跟踪和数据中继卫星(TDRS-1)于1983年4月4日用航天飞机发射,经过对卫星本身及设在白沙的地面站进行全面测试后,于1984年底开始正式供用户部门使用。TDRS-2因挑战者号航天飞机失事而未能入轨,接着在1988年9月和1989年3月分别成功地将TDRS-3和TDRS-4发射入轨。于是,在1989年10月25日宣布由两颗工作星和一颗在轨备份星组成的基本TDRSS系统投入运转。1985年到1989年间,TDRSS已经为用户提供了150万分钟的通信,为航天飞机和陆地卫星等用户提供了高速率数据传输,为太阳散逸层探测器(SME)和地球辐射平衡观测卫星(ERBS)等用户提供了低速率数据传输。1985年以来,单单航天飞机和太空实验室的飞行已经采集了17万分钟的数据。 TDRSS系统的成功使NASA局能够按计划关闭许多全球布设的地面测控站,并从老的地面测控网逐步过渡到天基测控网,以保障近地轨道航天器的任务。已用TDRSS系统保障的航天任务演练了所有的基本测控业务,证实了系统方案的正确性,NASA局评价了TDRSS系统5年测控工作,并确定了两个参数以衡量系统传送用户遥控指令和遥测数据的能力。这两个参数是可用性和成功率。可用性是系统在每周7天,每天24小时内能满足任一个或所有用户航天器测控要求的准备程度。成功率是系统实际完成测控业务的能力,是实际提供的保障与预期安排的保障之比。     

确定星—星跟踪区间的一种计算方法

本文介绍了一种天基测量系统对中低轨道卫星跟踪可视区问的计算方法。本方法原理清晰,简单易行,在TDRSS、GPS对中低轨道航天器的定轨和定位中有较大的实用价值。     

TDRSS双差分数据测轨的单位矢量法

本文根据人造卫星测轨的单位矢量法基本原理,利用跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)的两颗中继卫星双差分数据,给出了一种独立测定用户星轨道的新方法。     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。     

九十年代的经卫星中继的跟踪和数据采集

新技术进展带来了许多新要求:数据增加、工作可靠性提高、覆盖范围扩大到同步高度以外,地面用户和航天器上实验组件之间更加直接的联系等。新技术的发展又开辟了研制跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)九十年代后继型系统的新途径。这种新的跟踪和数据采集系统称作TDAS。本文介绍了研制高成本效率TDAS必须研究的系统结构问题,其中包括系统要求,基本设计参数以及各种系统和技术问题。最后,本文按照任务性质及计划组织关系介绍了目前已订合同的TDRS研究工作。     

实验直播卫星(BSE)轨道确定系统的简化及跟踪方式对轨道确定精度的影响

为获得足够的定点卫星定轨精度,一般将相距较远的几个测站的测距数据作为观测值,并将它用作与卫星运动模型化的理论值相比较的输入值,完成微分改正。正像几篇文章已介绍的那样,鹿岛主站的BS卫星轨道确定系统所用的观测值仅是单站的测距数据,而其软件使用了数值积分法和简化的运动模型。可是,主站为了进行K波段天线的自动跟踪,作为研究目的,轨道确定所用的观测值也有可能采用天线的角度数据。也就是说,同时并用角度数据和距离数据,采用鹿岛分所研制的小型轨道确定软件(KODS)进行轨道确定。因此,主站就可能有两种跟踪方式:仅测距的单站跟踪方式以及并用距离和角度数据的单站跟踪方式。另外,还可利用宇宙事业开发团(NASDA)的测站几乎同时测得的距离数据,以多站跟踪方式进行轨道确定,从而可以进行单站、多站跟踪方式的比较研究。基于多站跟踪的轨道确定精度高,但是跟踪站的维护和使用费用加大。因而,掌握单站跟踪方式的轨道确定精度是有重要意义的。根据上述的BS卫星条件,我们比较了基于单站和多站的轨道确定精度,并研究了简化软件而带来的精度下降,本文叙述了这些研究结果。     

开发TDRSS对政府和商业运载火箭的全球覆盖能力

NASA天基通信网—TDRSS可为哈勃太空望远镜、Compton天文台、TOPEX以及航天飞机等多种低轨道飞行航天器提供跟踪和通信服务。当前NASA正集中研究采用最经济的办法完成其各项航天任务,这就促使它加倍努力,寻求从其TDRSS独特资源获得更大价值的一切可能性。现已证明利用3颗地球同步卫星加上高增益S波段跟踪天线能为一次性运载火箭(ELV)的发射阶段提供近全球覆盖能力。 运载火箭在上升和级间分离期间,由TDRSS提供遥测覆盖要比利用高级靶场测量飞机(ARIA)或多个航区站费用低得多。 TDRSS可望承担各类运载火箭的发射服务,其中包括德尔它、大力神/顶上级、飞马座、民兵、改进型火箭(EELV)和海射火箭以及国外运载火箭。对于装有相应转发器的顶上级,可以覆盖到转移轨道段。还在研究利用TDRSS波段前向链路传递靶场安全指令,从而还可能得到明显的经济效益。 本文详细介绍TDRSS为大力神/半人马座和阿特拉斯/半人马座发射提供通信保障所获得的经验,并叙述为各种运载火箭发射服务的余量、发射机和天线特性以及费用和前景。