中长期轨道预报中大气阻力系数补偿算法的研究

利用地磁平静期的CHAMP卫星精密星历对多个弧段的大气阻力系数进行解算,找到了适用于轨道预报的最优系数,分析了最优阻力系数与地磁指数、迹向残差的关系,利用线性回归分析建立了大气阻力系数补偿算法。针对中长期轨道预报的需求,该算法能够降低定轨弧段较短条件下阻力系数的解算误差。将该补偿算法应用于不同时期CHAMP卫星和天宫一号的轨道预报,验证了该算法的正确性和普遍适用性,结果表明预报精度能够提高20%以上。     

低轨星载光学测量确定静止卫星轨道的方法

为了研究低地球轨道(LEO)卫星对地球静止轨道(GEO)卫星的跟踪定轨能力,文章提出利用LEO星载光学测量技术对GEO卫星进行轨道确定。文章充分考虑光学可视条件与星载相机的观测区域,对LEO卫星跟踪GEO卫星的空间环境以及测量模式进行模拟。利用模拟得到的测角数据采用数值方法对GEO卫星进行定轨并与参考轨道进行重叠对比。通过仿真算例对单圈及多圈跟踪情况下GEO目标定轨精度进行分析,结果表明,在平台轨道误差3m、测量精度5"情况下,随着观测圈数的叠加,GEO卫星的轨道确定精度可由500m量级提升至百米量级。若提升平台精度和测量精度,则轨道确定性可进一步提高。     

天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

基于地标的静止轨道遥感卫星测定轨技术研究

在考虑地面站资源受限的基础上,提出了基于地标信息对静止轨道遥感卫星进行测定轨的基本原理,给出了根据地标图像和地面站测距结果进行定轨的计算模型。分析了卫星姿态确定误差、卫星及相机结构变形误差、相机空间分辨率、大气折射、地面站测距误差对该方法测定轨精度的影响。对地标和地面站个数多种组合以及无地面站情况进行了定轨仿真,并与自主轨道递推结果比较,结果表明:用基于地标的测定轨方法对静止轨道遥感卫星的定轨精度可达400m,并不受地面站资源限制和时间约束,多天自主定轨精度高于星上自主轨道模型递推结果。     

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。
     

一种新的亚米级星载GPS伪距实时定轨方法

提出了一种新的星载GPS实时定轨方法,该方法以伪距作为主要观测值,通过在卡尔曼滤波模型中设置参数来吸收广播星历中的轨道误差与钟误差,从而实现亚米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件SATODS对GRACE-A卫星的实测数据模拟实时处理,结果表明:采用本文方法后,实时定轨的位置精度和速度精度(3DRMS)分别可达0.4~0.6 m与0.4~0.6 mm/s;相比于传统的伪距实时定轨精度可提高40%。     

基于天基测控的同步轨道卫星联合定轨方法研究

以美国现行的天基光学传感器SBV为例,分析了天基测控环境下光学传感器对同步轨道目标的覆盖特性,并构建了天基测控的观测模型。针对天基卫星星历误差对同步轨道目标定轨精度的影响,提出了抑制天基卫星星历误差的天地基联合定轨方法,将天基卫星和同步轨道卫星都作为待估计状态量,同时解算天基卫星和同步卫星轨道。仿真实验表明,天地基联合定轨方法能有效抑制天基星历误差的影响,能同时提高天基卫星和同步卫星的定轨精度。
     

天基单星测角跟踪条件下的空间非合作目标定轨

针对天基单星测角跟踪条件下的空间目标定轨问题,给出了空间目标的可探测条件,提出了基于超短弧稀疏光学跟踪数据的空间群目标天基定轨方法,建立了低轨监测星对高轨非合作式光学跟踪测量模型和定轨模型,围绕非合作式空间群目标天基单星仅测角跟踪定轨的收敛性和精度开展了定轨试验,结果表明联合两段短弧数据定轨半长轴,精度可达百米量级。     

一种基于星间方向观测的初轨计算方法

基于天基网空间监测的技术背景,用一已知轨道的天基观测平台对不明空间目标的方向观测,在定轨精度要求并不太高的要求下,研究了单颗卫星的天基平台定初轨的问题,并提出了一套基于此观测模型的中低轨空间目标的初轨计算方法。通过模拟生成测角资料对方法进行检验,计算结果显示方法在目前提出的定轨精度下是稳健可行的。     

CE5T拓展试验轨道精度分析

针对嫦娥5T服务舱(CE5T)拓展试验中的绕地大椭圆轨道，分析了轨道动力学演化趋势，通过测轨数据类型组合策略分析了统一S频段测量(USB)和甚长基线干涉测量(VLBI)在定轨中的贡献，得到了百米级的精密定轨精度；针对地月第二平动点(L2)绕飞轨道，分析了地心和月心积分的轨道动力学差异，制定了精密定轨的参数求解策略，得到了百米级的精密定轨精度；针对月球交会对接轨道的特点，选取三种不同的重力场模型定轨，比较了三者在轨道预报和数据拟合的差异，并与嫦娥3号(CE3)环月轨道的定轨精度进行比对，验证了不同重力场的适用范围，从计算精度和效率两方面制定了优化的定轨策略。     

PCE方法在空间实验室轨道预报误差分析中的应用

应用多项式混沌展开法(PCE)进行空间实验室轨道预报误差分析。通过构建PCE模型对轨道预报的不确定性传播过程进行近似，进而对轨道预报后航天器位置和速度的误差进行分析。分析了不同PCE模型阶数、预报时长以及样本点的数目对构建PCE模型的影响。综合考虑精度和计算效率，给出了适用于空间实验室轨道预报误差分析的PCE模型。将PCE方法与传统方法进行对比，结果表明PCE方法有较好的非线性近似能力，且计算效率高，验证了PCE方法应用于空间实验室轨道预报误差分析的有效性。     

面向空间目标相对轨道确定的编队优化方法

针对提高空间目标相对轨道确定精度的问题，研究了在主航天器轨道运动受限时，通过设计和优化辅航天器相对轨道要素的航天器编队优化方法。首先，介绍了基于扩展卡尔曼滤波的双视线测量相对轨道确定方法；之后，通过研究双视线测量下的空间目标定位误差变化规律，得到了减小定位误差的角度条件；然后，通过分析该角度条件和辅航天器相对轨道要素的关系，设计并采用遗传算法优化了辅航天器相对轨道；最后，数学仿真结果表明，设计的编队可保证目标相对位置估计误差收敛，优化后的编队可使目标相对位置估计误差减小至0.3 km且不超过1.2 km。     

空间环境对航天器的影响及其对策研究

在扼要介绍近地空间环境的基础上，简述了高层大气、高能带电粒子，空间等离子体、空间碎片和微流星等空间环境对航天器轨道，姿态的影响，以及航天器辐射损伤，机械损伤，化学损伤，表面充放电，电子器件硬软错误，通信和测控的干扰等诸多空间环境效应，还简要介绍了我国空间环境探测的主要成果以及空间环境对航天器影响的对策研究的情况。     

ΔDsat,a QB50 CubeSat mission to study rarefied-gas drag modelling

A CubeSat mission to study the impact of flow incidence angle, surface material and surface roughness on gas–surface interactions on spacecraft in low Earth orbits has been designed. To accomplish this scientific goal the CubeSat deploys a variable geometry aerofoil capable of exposing different surfaces to the flow at different incident angles. By using the on-board GPS measurements and an orbit determination technique the drag experienced by the CubeSat can be estimated. The CubeSat has been designed to be part of the QB50 mission, and hence it carries a sensor that can take in-situ measurements of the atmosphere. This is then used to estimate the atmospheric density and hence to extract information on the drag coefficient. To minimise any bias present in the measurement chain a differential approach is used. Therefore no absolute drag coefficients are estimated, instead, ratios of drag coefficients are computed. This allows direct comparisons of the drag coefficients of different materials, different surface roughness or different incident angles. Simulations indicate that this CubeSat mission will be able to obtain drag coefficient ratios with an uncertainty level of less than 5%.     

基于逐步回归的模型误差估计及在天基测控系统中的应用研究

以双星定位系统的天基测控技术为应用背景,提出了一种能够自适应估计模 型误差的轨道确定方法。详细推导了观测模型中的系统误差形态,建立了能表征实际特征的 部分线性轨道改进模型,并利用二阶段法和核函数估计法对混合误差进行补偿,在此基础上 对补偿模型进行逐步回归分析,从中提取动力学模型误差,从而抑制了动力学模型误差的影 响,提高了轨道改进的精度。在本文的仿真环境下,部分线性轨道改进法能够有效抑制混合 误差对定轨精度的影响,提高天基测控的轨道确定精度。     

空间碎片减缓策略效果仿真

根据机构间空间碎片协调委员会(IADC)和欧空局(ESA)的空间碎片减缓要求,在建立航天发射、爆炸和碰撞模型,以及碎片演化机制的基础上,对常规发射(BAU)、禁止在轨爆炸(NO-EX)和全面减缓(MIT)三种空间碎片减缓策略条件下,对2000~2100年空间碎片环境进行了仿真计算。结果表明,禁止航天器在轨爆炸、对失效的卫星和火箭上面级实施离轨操作,以及在航天器的发射和运行中不产生或抛弃分离物等减缓措施是限制空间碎片数量增长的有效方法。     

航天器碰撞分析方法研究

作为航天器碰撞与规避控制方法研究课题的一部分,为此分别建立了航天器及其它空间目标的轨道确定方法;并在此基础上,提出了可能与航天器碰撞的其它空间编目目标的初选准则和碰撞预报算法。实测数据计算表明,该方法对于航天器轨道设计以及飞行安全性分析等均是实用可行的。     

地磁扰动期间低轨目标轨道预报的误差修正

针对地磁扰动期间大气密度变化造成的低轨目标较大的轨道预报误差,提出一种根据POES卫星观测的极光能量注入数据改进短期轨道预报的方法。分析表明CHAMP卫星的沿迹大气密度及轨道衰减与极光能量注入具有较好的相关性。通过线性回归方法,建立轨道半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式,并使用修正后的阻力调制系数取代两行元(TLE)中的该系数带入SGP4模型进行位置预报。该方案考虑了外推过程中地磁扰动引起的大气密度响应,能更准确地反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。将其应用到2008年CHAMP卫星和国际空间站的轨道预报中,结果表明,半长轴和位置的预报误差可分别降低50%和30%左右。进一步对不同年份、不同轨道高度的目标进行了预报误差修正的分析,验证了该方法的普适性。     

碰撞风险评估中的空间环境激励图方法

因航天器物理特征、空间环境扰动变化、预报技术和大气模型性能等既有不确定因素的存在，空间目标碰撞概率等与轨道预报相关的评估工作存在模糊度问题，无法准确描述碰撞风险水平。文章基于碰撞概率极值，简化气动力误差模型，量化计算轨道预报相关事务的边界；提出空间环境激励图和3σ区的概念，并给出具体实施方法以及空间碎片碰撞预警、空间物体陨落预报的计算示例。计算结果表明，该方法能较好应对轨道预报相关事务中的模糊度问题，可为相关航天工程实践和决策提供参考。