战场上的千里眼（下）——美国军用卫星

“跟踪与数据中继”卫星（TDRS）是一种军民两用通信卫星，用于转发地面站对低，中轨道航天器的跟踪测控信号和中继从航天器发回地面的信息。美国从20世纪80年代初开始部署TDRS系统，到90年代中期才完成系统配置，建成完全实用系统。美国的TDRS到目前一共发展了两代，第一代共7颗卫星，第二代共3颗卫星。     

跟踪与数据中继卫星(TDRS)跟踪用户星的条件分析

中继卫星是航天测控网发展的必然趋势.一颗中继卫星对不同轨道的用户星测控支持能力是不同的,受多种因素的影响.从理论上详尽地分析了地球同步轨道中继卫星(TDRS)对近地航天器的跟踪条件,计算了中继卫星对各种轨道高度近地航天器的测控覆盖率,给出了中继星到用户星可视算法、地球遮挡和受太阳直射的计算公式,通过专业STK软件仿真验证了所得结论的正确性,它们可以作为确定天基网的中继星数量和对在轨中继卫星进行资源分配的理论依据.      

航天简讯

跟踪与数据中继卫星开始中继数据 TRW和空间通信公司的跟踪与数据中继卫星(TDRS),已经成功地把陆地卫星-4的数据中继到设在白沙基地的TDRS地面站,初步证实了TDRS系统的可用性。8月7日进行的初始中继,包括S频带、低数据率的传输。该卫星还将进行一项要求更高的试验,即TDRS将从陆地卫星-4自动跟踪和中继主题绘图仪传输的高速率数据。在一项验证航天飞机初始能力的计划中,TDRS将通过白沙基地、TDRS卫星和约翰逊空间中心之间的数据传输,验证约翰逊空间中心工程系统实验室的能力。     

"月船1号"英年早逝

2008年8月29日1时30分,运行在月球上空200千米的印度“月船1号”突然与地面站失去了无线电联系,此后,印度空间组织的科学家多次尝试与这颗月球探测器重新建立联系,但所有的努力都宣告失败,最终不得不提前放弃这颗让印度人自豪的月球探测器。     

美国深空网的发展及其未来规划

1引言□□深空探测是指对月球和月球以远的天体和空间进行的探测,对实施深空探测的航天器进行测控通信的系统称为深空测控通信系统,它包括深空测控通信地面站和空间应答机两大部分。行星探测始于20世纪50年代末,美国和苏联/俄罗斯是行星探测的主要力量,它们通过发射无人行星探测器对太阳系内行星进行了大量的探测,极大地提高了对太阳系的认识程度。近些年来,深空探测再次成为航天技术发展的热点。目前,美国、欧洲航天局和俄罗斯等国家和组织已经建立了深空测控系统或测控网。法国、意大利和印度等国也在计划建立自己的深空站(DSS),用于对…     

一种改进的运动目标抗遮挡跟踪算法

为解决运动目标在遮挡情况下的跟踪问题,提出一种基于目标运动预测与自适应多子块模板匹配相结合的抗遮挡跟踪算法.该算法建立了多子块模板匹配相关算法中遮挡情况的判定、子块模板匹配及自适应更新等准则,采用卡尔曼滤波模型预测目标在遮挡时的运动轨迹,并利用一种基于目标速度矢量的模板定位规则实现目标在遮挡结束后的接力跟踪.将该算法应用于存在多种遮挡情况下的实际视频中进行测试,实验结果表明:该算法不仅能够实现在部分遮挡情况下的目标跟踪,而且能在严重遮挡、甚至完全遮挡情况下对刚体和非刚体目标进行稳定有效地跟踪,保持目标运动轨迹的可靠性和完整性.     

嫦娥四号着陆器月面工作遮挡应对方案研究

嫦娥四号着陆于月球背面南极 艾特肯盆地内，着陆区周围复杂地形导致测控和通信遮挡风险。针对这一问题，开展了着陆区的测控、光照遮挡分析，提出利用轨道控制策略的精细化设计来提高着陆点精度、优化月面工作程序和增加自主控制功能的设计方法,全方面降低嫦娥四号着陆器在月球背面着陆区的生存风险。该方法已通过嫦娥四号着陆器在轨验证，可以为其他深空探测任务提供参考和借鉴。     

月球车野外试验场建造因素分析

1前言
　　月球车是嫦娥-3探测器的重要组成部分。它是能适应月球环境,携带科学仪器在月面移动,完成探测、采样、运载等任务的航天器。这是一类特殊的航天器,不同于传统的卫星、飞船。在着陆月面之前,月球车是着陆器的有效载荷,着陆后是独立、完整的移动探测器。为此,在上天前它要进行野外试验。
　　中国月球探测工程分为三期：绕月探测,落月探测,采样返回探测。嫦娥-3任务是探月工程二期关键的一步,主要目标是实现月球软着陆探测与月面巡视勘察,将突破月球软着陆、月面巡视勘察、月面生存、深空测控通信与遥操作。     

嫦娥-1的奔月之路

中国已经发射过各种轨道的人造地球卫星,但是还没有发射过人造月球卫星.从地球到月球不但距离遥远,将近4×105km,而且月球自身还在围绕地球进行公转,平均运动速度为1.023km/s.因此,如何让嫦娥-1月球探测卫星与运动着的月球精确交会,并按绕月的工作轨道运行是非常困难的事情.在世界探月历史上,曾多次发生探测器距离月球很远飞过,与月球"失之交臂",也曾发生过探测器未能进入环月轨道而撞到月球表面上"粉身碎骨".由此可见,嫦娥-1飞行轨道的设计是整个工程中一项必须突破的关键技术.     

月球背面地形对软着陆探测的影响分析

相对于月球正面大面积平坦的月海区域,月球背面地形整体崎岖复杂,因此地形地貌的变化会对探测器的软着陆探测产生一定的影响。从任务设计、着陆器设计和月面工作程序3个方面分析了"嫦娥4号"着陆区南极–艾特肯盆地(South-Pole Aitken Basin,SPA),及其相对于"嫦娥3号"着陆区的变化,主要结论包括:1)着陆区范围缩小,由"嫦娥3号"着陆区经度范围16.4°和纬度范围3°,减小到经度范围约4°和纬度范围约2°;2)动力下降策略更改,动力下降过程主减速段结束后,着陆器由斜向前运动轨迹改为接近垂直向下运动轨迹,同时更改测距敏感器的引入时机;3)提高微波测距测速敏感器信号发射功率和信噪比;4)着陆后需要预测着陆器的光照和测控被地形遮挡的情况,然后制定如休眠或月食模式等相应策略等。通过以上优化设计,"嫦娥4号"任务可适应月球背面地形地貌的变化,有效降低着陆过程和月面工作的风险。     

中继卫星系统支持中/低轨航天器飞行测控任务技术研究

随着中继测控终端小型化和高增益、宽波束天线技术的发展, 特别是中国后续 中继卫星将具备S频段多址服务能力, 使得依靠中继卫星系统实现航天器飞行 测控和所有在轨卫星的日常管理成为可能. 通过分析中继测控支持中/低轨 道卫星在轨测控的能力、优势和基于中继测控实现卫星发射弹道优化策略, 提出了定向天线中继终端应急测控方法. 研究结果表明, 中继卫星系统能够为航天器飞行任务从发射、入轨到在轨管理提供测控服务, 特别是基于多址 服务能力的中继卫星系统从数量上完全满足中国在轨卫星的测控需求, 测控效率和应急能力将得到明显提升.      

中继卫星支持海量航天器在轨测控技术

目前中低轨的卫星在轨测控主要基于地面测控设备,当管理的在轨卫星数量持续增加时,需要不断地建设新的测控站或增加测控设备,同时由于地球遮挡限制,一个地面测控站的测控范围只占一颗卫星运行弧段的很小部分,集中在国内建设的地面测控站无法解决轨道全弧段覆盖难题。地球静止中继卫星系统的高覆盖特性和多址服务能力为近地卫星在轨测控提供了空间和频域的多重复用能力,文章从中继链路性能、多目标服务项目、多目标服务能力、覆盖特性等方面进行了详细分析,结果表明在现有的管理模式下,3颗具有多址能力的中继卫星就能管理中国目前在轨的和今后一段时间发射的所有近地卫星,这将显著降低在轨卫星对地面测控设备的需求。同时,中继多址测控服务模式可以克服现有在轨卫星管理时间域集中和应急能力差的缺陷,为卫星用户提供更多的服务手段,满足不同在轨卫星管理和使用要求,大幅提升在轨卫星的安全性和使用效率。     

对地观测卫星固定波束数据传输天线覆盖特性研究

从卫星系统设计入手,利用J2轨道模型及星地空间几何关系研究了太阳同步、近极圆轨道、三轴稳定对地观测卫星的星地数传无线链路,得到了在地面站作用范围内均衡接收的波束分布特性。研究结果表明卫星进、出地面站的周向分布是不均匀的,沿卫星飞行方向进、出地面站概率最大,而垂直于卫星速度方向,卫星进、出地面站概率最低;并分析了波导十字缝阵组合天线的覆盖特性。     

Three-dimensional tracking of a lunar satellite with differential Very-Long-Baseline-Interferometry

Lunar gravimetry mission in the Japanese lunar exploration project SELENE (Selenological and Engineering Explorer) is characterized by inter-satellite tracking by means of a relay satellite in a high eccentric orbit, combined with differential Very-Long-Baseline-Interferometry (ΔVLBI) and conventional 2-way Doppler tracking. ΔVLBI provides information on the satellite position and velocity complementary to conventional range and range rate measurement, and allows us to measure lunar gravitational accelerations in all the three components. In this article, ΔVLBI and 2-way Doppler numerical simulation results are compared to those obtained from 2-way Doppler observations only, so that we can evaluate the contribution of ΔVLBI to the SELENE lunar gravimetry mission.     

基于覆盖圆的太阳同步回归轨道卫星目标轨迹调整方法

遥感卫星星座在环境监测、地理测绘等领域运用中,需要考虑目标轨迹分布的优化问题.轨迹分布与星座的重访能力和进出站间隔保持等应用需求密切相关.目前对星下点轨迹分布的优化和调整还缺乏准确实用的方法,存在卫星数目增多带来的计算量增加问题和对多种需求综合考虑不够的问题.为了克服现有技术的不足,解决太阳同步回归轨道遥感卫星星座的目...     

地月空间信息网络链路分配算法研究

在设计拓扑时,如何分配每颗卫星上有限的通信终端建立通信链路,构建一个性能良好的网络拓扑,成为了一个重要的研究问题。以平均月球中继卫星到地面站路径距离最小为优化目标,以卫星携带的通信终端数目、月球中继卫星与地面站的连通性为约束条件,提出了基于竞争决策思想的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Competitive Decision, LAA-CD)和基于模拟退火法的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Simulated Annealing,LAA-SA),并与贪婪算法进行对比。仿真结果表明,LAA-CD和LAA-SA算法下所得拓扑的平均月球中继卫星到地面站距离均小于贪婪算法,且LAA-CD算法能够有效降低算法的时间复杂度。进一步对比了两种星座,发现相比拉格朗日轨道卫星星座,在月球极轨道卫星星座下所得拓扑具有更小的平均距离,为空间信息网络分配提供技术支撑。     

地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析

地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性,是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求,分析并研究了地月L2点周期轨道(halo轨道)对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下,研究并给出了halo轨道族延拓计算方法,基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族;给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型,定义了相应的时间覆盖因子;数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明:地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性,幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好,幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好,南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国"嫦娥4号"月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。     

Precision orbit determination for TOPEX/Poseidon using TDRSS doppler tracking data

Precision orbit determination on the TOPEX/Poseidon (T/P) altimeter satellite is now being routinely achieved with sub-5cm radial and sub-15 cm total positioning accuracy using state-of-the-art modeling with precision tracking provided by a combination of: (a) global Satellite Laser Ranging (SLR) and Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS), or (b) the Global Positioning System (GPS) Constellation which provides pseudo-range and carrier phase observations. The geostationary Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) satellites are providing the operational tracking and communication support for this mission. The TDRSS Doppler data are of high precision (0.3 mm/s nominal noise levels). Unlike other satellite missions supported operationally by TDRSS, T/P has high quality independent tracking which enables absolute orbit accuracy assessments. In addition, the T/P satellite provides extensive geometry for positioning a satellite at geostationary altitude, and thus the TDRSS-T/P data provides an excellent means for determining the TDRS orbits. Arc lengths of 7 and 10 days with varying degrees of T/P spacecraft attitude complexity are studied. Sub-meter T/P total positioning error is achieved when using the TDRSS range-rate data, with radial orbit errors of 10.6 cm and 15.5 cm RMS for the two arcs studied. Current limitations in the TDRSS precision orbit determination capability include mismodeling of numerous TDRSS satellite-specific dynamic and electronic effects, and in the inadequate treatment of the propagation delay and bending arising from the wet troposphere and ionosphere.     

Selenodetic experiments of SELENE: Relay subsatellite,differential VLBI,and laser altimeter

Since 1960s, the gravitational potential of the Moon has been extensively studied from Doppler tracking data between a ground station and spacecraft orbiting in front of the Moon (e. g., Lorell and Sjogren, 1968; Bills and Ferrari, 1980; Konopliv et al., 1993; Lemoine et al., 1997). Because direct radio communication is interrupted while spacecraft is orbiting behind the Moon, however, the coverage of tracking data has been limited mostly to the nearside of the Moon so far. In order to compensate for such lack of tracking data, we propose satellite-to-satellite Doppler measurement by using a relay subsatellite in Japanese mission to the Moon in 2003. A complete coverage of Doppler tracking from an orbiter at sufficiently low altitude will significantly improve lunar gravity model and will contribute for future geophysical study of interior and tectonics on the Moon. Further, we propose differential VLBI experiment between the subsatellite and a propulsion module landed on the surface of the Moon. The differential VLBI is about 10 times more accurate than conventional Doppler measurement for long-wavelength gravity field. Besides, differential VLBI is sensitive to the displacement perpendicular to the line of sight. Thus the VLBI experiment provides precise estimates of the lunar gravity potential at low degree. The last proposal for selenodetic experiments is a laser altimeter. Global topography model has been already developed from the analysis of Clementine LIDAR data (Zuber et al., 1994), but it is suggested that the model includes appreciable anisotropy between NS and E-W directions due to highly eccentric orbit of Clementine spacecraft (Bills and Lemoine, 1995). The laser altimeter experiment from an orbiter in nearly circular orbit will provide a new reference for the isotropic lunar topography model.