地球卫星动力学定轨中摄动模型的选取

地球卫星动力学定轨中需要依据卫星轨道高度考虑不同的摄动项,以提高定轨精度。针对这一需求,分析了不同轨道高度下卫星所受的地球非球形、日月引力、太阳光压和大气阻力4种摄动项对二体模型的校正量,数值仿真表明实验结果与摄动项的力学分析相吻合,另外,给出了地球卫星动力学定轨中不同轨道下卫星摄动项的选取原则。     

轨道面旋转角对GEO卫星广播星历参数拟合的影响

广播星历参数拟合是建立卫星导航系统的一项关键技术,星历用户算法的简洁高效直接决定了用户导航定位的效率。在基于GEO、IGSO和MEO三类卫星的北斗二代导航定位系统中,GEO卫星的广播星历参数拟合是迫切需要解决的难点之一。基于广播星历参数的最小二乘解法,推导出了轨道面旋转角对广播星历参数的影响表达式,分析了轨道面旋转角的大小对广播星历参数拟合稳定性的影响。计算结果表明,通过增加轨道面旋转角不仅很好地解决了GEO卫星广播星历参数超限的问题,而且确保了广播星历参数拟合算法的精度和可靠性。     

第二类无奇点根数的北斗历书参数设计

为统一北斗三类卫星的历书拟合算法,提出基于第二类无奇点根数进行历书参数设计的方法,设计了以倾角向量变率作为摄动参数的历书参数模型,并给出新的历书模型的用户使用算法。利用覆盖2013年全年的实际在轨卫星的数值轨道进行了历书拟合试验。结果表明,地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO)卫星的拟合位置误差为2~4km,拟合用户距离误差（URE）约为1km,中圆地球轨道（MEO）卫星的拟合位置误差为1~2km,拟合URE约为500m。通过分析6个轨道根数和2个摄动参数全年的变化范围,对新历书模型进行量化单位和占用比特位的通信接口设计,定量分析量化单位对历书表达精度的影响。结果表明,参数截断后对位置误差的影响小于50m,对URE误差的影响小于5m。因此,历书量化误差对信号捕获以及首次定位时间带来的影响可以忽略不计。     

北斗在轨卫星广播星历精度分析

为分析北斗广播星历的精度，采用激光测距资料和精密星历作为参考进行分析。由于没有提供BDS-3试验卫星精密星历，本文设计了3天弧段的DBS-3试验卫星精密定轨试验，解算的轨道精度约为50 cm，钟差精度约为2 ns。之后联合国际GNSS监测评估系统iGMAS发布的事后BDS-2精密星历，对BDS-3/BDS-2广播星历轨道、钟差精度进行分析。为准确评估广播星历轨道精度，还采用SLR观测数据作为外部检核手段分析北斗在轨卫星广播星历轨道精度。统计了广播星历轨道误差的1D RMS和钟差误差的STD，结果表明：多数钟差精度优于 10 ns ，轨道精度优于5 m。另外为分析广播星历卫星钟的时频性能，计算了在轨卫星钟差的频率稳定度、漂移率和准确度，试验结果表明：BDS-3试验卫星各项性能指标普遍优于BDS-2，频率准确度、频率漂移率和频率稳定性指标计算结果显示BDS-3卫星相对于BDS-2卫星分别提升了42.8%,22.5%,9.5%。     

地球轨道卫星电推进变轨控制方法

针对地球同步轨道（GEO）卫星,采用电推进系统完成转移轨道变轨。采用基于Lyapunov函数的反馈控制方法确定时间最短变轨策略。首先在开普勒模型下研究变轨过程,然后在开普勒模型的基础上考虑地球J2项摄动和地球阴影,最后在全引力模型下研究变轨过程,即在开普勒模型的基础上考虑地球非球形引力摄动、日月第三体引力摄动、太阳光压摄动和地球阴影。仿真结果显示在变轨过程中摄动项不可忽略,除地球J2项摄动外还应该考虑日月第三体引力摄动和太阳光压摄动。对比上述三组仿真结果,发现考虑摄动后轨道转移时间的增加比燃料消耗的增加更为明显。数值仿真结果表明本文研究对未来的全电推进任务具有良好的通用性和应用参考价值。     

摄动条件下椭圆轨道卫星相对运动研究

基于严格定义的相对轨道要素,考虑非球形引力、大气阻力和三体引力等摄动力的影响,用拟平均根数法添加相关摄动项,推导了椭圆轨道摄动条件下无奇点的卫星近距离相对运动模型。分析了考虑摄动力的影响时相对轨道要素的特性,并据此分析了各摄动力对卫星相对运动轨道预报精度的影响,比较了有无摄动的相对运动模型与精确解间的误差。算例验证了方法与结果的正确性和有效性。研究结果完善了相对轨道要素的基本理论,并将其适用范围拓展至摄动条件下的椭圆基准轨道卫星相对运动研究领域。     

长期在轨运行卫星的轨道维持技术

本文研究近地轨道卫星长期在轨运行的轨道维持问题。轨道维持的任务是将卫星的星下点轨迹保持在设计的参考轨迹附近。近地轨道卫星所受的摄动力包括地球引力摄动、日月摄动、大气阻力摄动和光压摄动等,而影响卫星轨道星下点漂移的主要因素是大气阻力摄动。本文给出了一种新的卫星轨道维持策略,数学仿真表明了其有效性。     

一类适用于各种轨道类型的导航卫星广播星历研究

导航卫星广播星历是卫星导航定位的基础,要求有较高的精度和实时性。GPS和GLONASS广播星历形式适合于某一类卫星轨道,但存在一定局限性。利用切比雪夫多项式拟合导航卫星轨道,拟合系数作为广播星历的参数发布,这是一种新的广播星历形式,可作为各种轨道类型的导航卫星的广播星历参数,而且具有精度高、计算速度快等特点。     

一种考虑摄动影响的星座构型稳定性设计方法

研究了星座构型稳定性设计方法,通过分析在长期摄动因素影响下星座各卫星轨迹偏移量,采用卫星初始参数偏置补偿原理,提出星座整体偏移思想。结合数据拟合方法,对多种摄动整体影响结果进行拟合调整,设计相应的调整方案,以消除卫星轨道在长期摄动因素下产生的偏差,保持了星座构型稳定性。在获得相应的参数调整量后,选取最为合理的设计方案,使卫星构型因摄动影响而调整所需要的能量尽可能小。     

第一类无奇点变量的广播星历参数拟合算法

广播星历参数是卫星导航电文的重要内容,一般通过对精密星历进行参数拟合得到,广播星历参数的拟合大多采用基于开普勒根数形式的广播星历参数拟合算法,研究表明,该方法在小偏心率轨道情形下,拟合精度较差。文章给出了基于第一类无奇点变量形式的广播星历参数拟合算法,仿真结果表明,采用第一类无奇点变量,可以有效解决小偏心率引起的拟合精...     

嫦娥三号探测器连续姿控的轨道动力学模型补偿及实现

针对嫦娥三号探测器的连续姿控喷气对飞行轨道产生的扰动影响,在精密定轨中建立了经验力补偿模型,并使用最小二乘估计算法计算经验力模型参数与探测器轨道。通过重叠弧段轨道精度评估法对该模型补偿效果进行了验证,结果显示,定轨预报的星历误差以及拟合残差均有所改善,特别是环月轨道的定轨精度由百米量级提高到十米量级。     

一种24参数GPS广播星历方案研究

针对进一步降低广播星历拟合误差,文章提出了一种改进的GPS 24参数广播星历,并给出了广播星历的改进算法。实验结果表明:对于4h拟合长度,GPS全星座所有卫星、所有弧段的三维位置拟合性能均有显著提升,三维位置拟合误差的均方根值和最大值分别降低87%和47%,以三维位置拟合误差的均方根值作为评价指标,改进的GPS 24参数广播星历拟合精度达到毫米级。     

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。
     

导航星座自主星历更新技术

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精确确定和轨道短时预报两个方面的内容.相比之下,卫星轨道短时外推预报容易实现.因而,本文在系统地论述导航星座自主导航信息处理流程的基础上,重点提出一整套由星间双向伪距和测量方程、卫星受摄轨道系统状态方程、以及协方差匹配自适应Kalman滤波组成的卫星自主轨道确定算法.仿真结果表明：利用星载Kalman滤波器处理星间双向测量数据,卫星自主轨道确定精度和用户测距精度可以分别达到5.40m、1.86m,能够满足用户高精度导航应用需求.初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性.     

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。     

一种提高导航卫星星座自主定轨精度的方法研究

针对近地导航卫星仅利用星间测距进行自主定轨时,因无法消除星座整体旋转误差而导致长期自主定轨精度不高的问题,提出了利用拉格朗日导航卫星星座与近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的方法。建立了拉格朗日轨道导航卫星星座和近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的动力学模型和观测模型。利用扩展Kalman滤波（EKF）算法和星间测距信息实现了拉格朗日轨道导航星座与近地导航星座的长期自主定轨。以4颗拉格朗日卫星组成的导航星座与12颗GPS卫星组成的近地导航星座作为仿真对象进行了仿真分析,仿真结果表明本文仅利用星间测距的联合自主定轨方法可以有效提高导航卫星星座的长期自主定轨精度。
     

基于无奇异变换的卫星广播星历拟合算法

针对导航卫星轨道偏心率近似为0,致使卫星轨道的近地点角距定义模糊,在数据拟合过程中会导致法矩阵（H^TH）奇异的问题,本文提出基于无奇异变换的广播星历参数拟合算法,引入无奇异轨道根数代替经典开普勒根数,推导了空间目标位置矢量对基于无奇异轨道根数的广播星历参数偏导数矩阵,利用变换后的观测方程迭代拟合得到改进广播星历参数,再将结果归一化到基于开普勒根数的广播星历参数。最后利用仿真算例验证了所推公式和算法的合理性。     

北斗星基增强系统增强定位方法和效果研究

北斗星基增强系统BDSBAS通过地球同步轨道卫星实时播发导航卫星星历改正数等增强信息，提高用户全球导航卫星系统定位精度，提升服务水平，是北斗全球卫星导航系统的重要组成部分。根据相关标准协议文件研究了BDSBAS增强定位算法，并在自主研发的北斗星基增强系统监测接收机上设计实现了BDSBAS增强信号的接收，完成了单频和双频实时增强定位解算。实测结果表明：BDSBAS-B1C增强信号能有效提高GPS L1C/A的单频定位精度，相比于标准服务单频定位结果，水平和高程方向精度分别提升了45.18%和70.61%，提升后定位精度在1 m左右；BDSBAS-B2a增强信号能一定程度提高BDS B1C-B2a的双频无电离层组合定位精度，相比较于标准服务双频定位结果，水平和高程方向精度分别提升了6.15%和5.83%，提升后定位精度达到分米级。     

小偏心率低轨卫星的星历参数拟合法

研究了小偏心率低轨卫星参数拟合理论,数据来源于某星载GPS接收机定位数据。通过对小偏心率近地卫星的轨道根数进行频谱分析,建立了对应的数学模型,用采样数据对数学模型中的参数用最小二乘法进行估计。对算法进行了模拟仿真,结果表明,该方法简单有效,计算速度快,拟合和短时间（10min）预报误差在100m量级。