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。
     

基于TDRSS的低轨卫星定轨方法研究

利用跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)组成天基测控系统对低轨卫星进行轨道确定,并讨论了低轨卫星在TDRSS系统覆盖区域的时间段,以改进的Gauss-Newton算法为基础,设计了非线性迭代的微分轨道改进算法,有效抑制了算法截断误差.仿真实验证明基于TDRSS的测控技术可显著提高测控覆盖率,减少地面测控站压力,有效确定低轨卫星轨道,定轨位置误差小于20 m,速度误差小于0.01 m/s,能满足一般低轨卫星的定轨精度要求.     

基于TDRSS的低轨卫星定轨方法研究

利用跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）组成天基测控系统对低轨卫星进行轨道确定，并讨论了低轨卫星在TDRSS系统覆盖区域的时间段，以改进的Gauss-Newton算法为基础，设计了非线性迭代的微分轨道改进算法，有效抑制了算法截断误差。仿真实验证明基于TDRSS的测控技术可显著提高测控覆盖率，减少地面测控站压力，有效确定低轨卫星轨道，定轨位置误差小于20m，速度误差小于0．01m／s，能满足一般低轨卫星的定轨精度要求。     

基于数据深度加权的卫星轨道确定技术

将统计数据深度理论应用到抗差估计中,用数据深度作为衡量残差在整个样本集中地位的统计量.提出了基于数据深度加权的抗差估计算法.考虑到天基观测结构的复杂性,设计了天基测控的误差传播因子,并构造了模型结构权对定轨模型结构进行加权.在此基础上构造了基于数据深度加权和模型结构加权的M估计算法,证明了该算法的高崩溃点特性.设计了天基测控模式下的轨道确定仿真试验,试验结果表明该估计方法能有效抑制观测粗差和模型结构误差的影响,并且能显著提高定轨算法的鲁棒性.     

M估计在卫星轨道确定中的应用

基于卫星测控的测量方程和动力学方程,分析了传统定轨策略中观测方程误差模型的非正态性,推导了定轨方程,提出了一种基于M估计的卫星定轨方法,证明了相关的性质。仿真结果表明：基于M估计的卫星定轨方法可明显抑制粗差影响,提高卫星轨道确定精度。     

基于半参数回归模型的双星系统定轨算法及精度分析

天基测控系统是航天测控的一个发展趋势.给出了双星定位系统的定轨原理;建立了基于半参数回归的双星系统定轨模型,包括对卫星轨道摄动误差的基函数表示和观测残差的函数拟合等;给出了基于半参数回归的轨道估计算法及计算步骤;并从理论上分析了基于半参数回归模型的轨道估计算法能有效的消除非线性因素对参数估计性能和精度的影响,其定轨精度优于经典的最小二乘处理算法;最后通过对卫星仿真观测数据的处理以及卫星定轨精度的分析,表明该算法确实有效,在相同仿真条件下,定轨位置精度和速度精度分别提高了41.5%和41.3%.     

一种用于实时轨道确定的NPF-SRCKF滤波算法

针对航天器实时轨道确定中建模复杂、计算量大、估计精度低的问题,设计了一种考虑地球J 2 摄动影响的基于NPF-SRCKF的实时轨道确定算法,该算法采用非线性预测滤波(NPF)对模型误差进行补偿修正,利用平方根容积卡尔曼滤波(SRCKF)算法对修正模型误差后的系统进行状态估计。针对单测站、双测站跟踪测量设计了不同的实时轨道确定算法。实验结果显示,将非线性预测滤波和平方根容积卡尔曼滤波结合在一起,运用于简化的实时轨道确定模型,能有效降低计算复杂度,改进数值运算的稳定性,提高状态估计的精度。     

基于半参数回归模型的双星系统定轨算法及精度分析

天基测控系统是航天测控的一个发展趋势。给出了双星定位系统的定轨原理；建立了基于半参数回归的双星系统定轨模型，包括对卫星轨道摄动误差的基函数表示和观测残差的函数拟合等；给出了基于半参数回归的轨道估计算法及计算步骤；并从理论上分析了基于半参数回归模型的轨道估计算法能有效的消除非线性因素对参数估计性能和精度的影响，其定轨精度优于经典的最小二乘处理算法；最后通过对卫星仿真观测数据的处理以及卫星定轨精度的分析，表明该算法确实有效，在相同仿真条件下，定轨位置精度和速度精度分别提高了41．5％和41．3％。     

高精度陀螺加速度表的误差模型探讨

在全面考虑影响陀螺加速度表的误差因素的基础上,建立了陀螺加速度表的误差模型。该误差模型包括静态误差模型、动态误差模型和混合误差模型三部分。陀螺加速度表的误差模型的建立对实现有效的误差补偿和可靠地提高惯性系统实用精度提供理论依据。     

卫星星座整网轨道确定分析与仿真

编队飞行的卫星或卫星星座对轨道确定自主性和精度提出了较高要求。针对这个问题,通过建立星座的轨道动力学模型和星间观测的测量模型,将星座中的星间观测数据和地面观测数据融合起来,将待估的卫星轨道参数和部分动力学参数进行适当的分类,研究卫星星座整网轨道确定的新方法,并在理论上分析了整网定轨方法能提高定轨精度的原因;最后采用自主开发的卫星星座整网轨道确定软件进行了仿真计算。计算表明,该方法能有效地减少对地面站的依赖,并较大幅度提高定轨时卫星绝对位置和相对位置精度。
     

基于测距观测的静地卫星定轨精度分析

在卫星动力法定轨的协方差分析基础上,提出了一种针对地球静止轨道(GEO)卫星的简化定轨精度分析方法。根据GEO卫星的线性化状态转移方程,通过设定地面跟踪网坐标和卫星星下点经度计算叠加矩阵,由观测弧长和采样间隔直接计算定轨精度评定公式中的主要部分。公式扩展后,能比较各种系统误差源对定轨精度的影响,并将影响较大的作为附加参数纳入估计过程并重新评价定轨精度。用该法对10 m定轨精度的测距跟踪网优化设计和测距偏差对定轨精度的影响特性进行分析的结果表明,测量系统中的系统性误差可能以近20的放大倍率传播到卫星沿迹方向和法向,且不能通过自校准测距常值偏差提高定轨精度。     

一种提高空间实验室定轨精度的方法

以近地航天器轨道动力学为基础,建立变阻力系数大气摄动模型,设计了求解变阻力系数的算法。然后利用天宫一号飞行器的测轨数据进行计算,分析了空间实验室飞行高度的轨道特性,其中包括：大气模式密度误差、变阻力系数与空间环境关系、定轨残差和星历误差。在空间环境平静和磁暴的条件下,制定了多种求解变阻力系数的策略,解决了空间实验室长弧段定轨精度受限的问题,并在空间环境平静条件下实现了优于10米的定轨精度,在磁暴条件下实现了优于20米的定轨精度。     

利用TDRSS信息的单向多普勒测轨方法

介绍了利用跟踪中继卫星系统（TDRSS）信息的单向多普勒定轨技术。分析了单向多普勒测轨的基本原理和系统组成，采用扩展卡尔曼滤波（EKF）法，推导用于自主定轨算法的卫星轨道测量状态及观测方程。讨论了影响滤波精度的状态变量和动力学模型精度等多种误差源及其该方法能达到的测轨精度。     

DORIS系统自主在轨实时定轨的实现与精度分析

国家科技重大专项高分辨率空间对地观测项目的实施,对卫星平台的自主在轨实时定轨提出了新的需求。由法国发展的DORIS实时定轨系统虽已成功应用于多个对地观测平台,但该系统从未公布其原始数据和数据处理的技术细节,因此本文尝试利用DORIS地面主控站提供的ENVISAT标准格式多普勒数据,假设星上自主定轨时采用相同的数据,基于卡尔曼滤波算法实现（仿真）自主实时定轨。计算表明仅考虑简单的非球形引力模型,对于位置误差1km,速度误差1m/s的初始条件,2小时后滤波趋于稳定,滤波精度为十米量级,速度精度为厘米每秒级。为提高滤波计算效率,对坐标系统转换进行简化后,定轨精度仍在十米量级。基于DORIS仿真测量数据滤波计算表明,随着测量精度的提高和每圈观测弧段的增加,滤波计算的精度也会得到有效提高。     

X射线脉冲星导航中钟差的可观测性问题

标准X射线脉冲星导航(XNAV)能够求解航天器的位置信息,但航天器钟差会导致XNAV的结果产生误差.鉴于脉冲星周期的稳定性,在利用XNAV进行轨道估计中,将钟差作为状态变量进行估计的授时方案已被相关学者提出.一种针对卫星轨道修正专门设计的可观测性分析工具在文中给出,利用其能够有效地判断各个状态的可观测性情况.利用该方法分析将钟差作为状态变量的导航方案,其结果表明仅需2颗脉冲星就可以对全部轨道六根数,以及卫星钟差进行观测;仿真结果验证了可观测性分析结论,双脉冲星导航时系统可以达到60m的定位精度和60ns的授时精度.对比仿真同时揭示了该方案能够有效地抑制钟差对导航精度的影响,将由于钟差引起的定位误差减小20倍以上.理论分析与仿真表明,将钟差作为状态变量的导航方案是一种能够有效地估计钟差,并抑制钟差影响、提升系统估计精度的导航方案.     

利用分步Kalman滤波器的自主定轨信息融合算法

将星敏感器/红外地平仪的天文定轨信息与星间观测进行信息融合是消除基于星间链路自主定轨中星座整体旋转问题的有效途径。针对两种定轨方法精度相差较大导致融合效果较差的问题,提出了一种分步 Kalman 滤波算法。该算法利用星敏感器观测信息能够有效修正旋转参数的特点,将星敏感器观测信息和星间观测信息进行分步处理和最优信息融合以消除自主定轨算法中存在的星座整体旋转误差,提高定轨精度。通过对Walker星座的仿真表明,利用提出的分步Kalman滤波信息融合算法,星座自主定轨60天后星座URE误差能够稳定在 1.5米 以内,且能有效消除星座整体旋转误差。     

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。     

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。
     

基于半参数回归模型的批处理确定卫星轨道方法

由于卫星轨道观测数据中含有非线性影响因素,必然会降低定轨精度。在半参数 回归模型的基础上,应用小波阈值去噪算法估计并消除观测数据中存在的非线性影响因素, 提出了基于半参数回归模型的批处理确定卫星轨道的方法,以提高定轨精度;然后,在理论 上证明了在测量数据存在非线性影响因素的情形下,基于半参数回归模型的批处理确定卫星 轨道方法的定轨精度高于经典的批处理定轨精度;最后,对中低轨卫星应用批处理定轨进行 了仿真。结果表明：基于半参数回归模型的批处理确定卫星轨道方法分离出观测数据中的 白噪声和非线性影响因素,从而可以在观测数据中消除非线性影响因素,提高定轨的精度。