中继卫星系统对用户航天器快速测定轨能力分析简

针对快速交会对接方案提出的航天器两圈实现变轨的可行性,使用太阳活动平静期的用户航天器四程测距数据,并结合中继卫星观测模型设计磁暴期航天器仿真测距数据,使用动力学定轨方法进行计算分析,论证了中继卫星系统对用户航天器的快速测定轨能力,解算出的航天器轨道根数精度为快速交会对接机精度分析提供了参考.     

中继卫星系统对用户航天器快速测定轨能力分析

针对快速交会对接方案提出的航天器两圈实现变轨的可行性,使用太阳活动平静期的用户航天器四程测距数据,并结合中继卫星观测模型设计磁暴期航天器仿真测距数据,使用动力学定轨方法进行计算分析,论证了中继卫星系统对用户航天器的快速测定轨能力,解算出的航天器轨道根数精度为快速交会对接机精度分析提供了参考。     

中继卫星S频段多址系统应用服务模式

通过深入分析TDRSS(Tracking and Data Relay Satellite System,跟踪与数据中继卫星系统)多址业务的主要能力、业务类型以及服务对象,概括总结出了TDRSS多址业务的2种应用服务模式,即周计划模式和按需接入模式。在此基础之上,设计了我国中继卫星SMA(S-band Multiple Access,S频段多址系统)的预分配服务模式、周计划服务模式和按需接入服务模式等3种应用服务模式。针对这些,建议:低速测控及数传需求的用户平台在安装S频段中继终端时,考虑兼容S频段单址和多址业务;用户中心S频段低速测控及数传服务尽可能使用SMA;用户在单独使用返向SMA资源时,必须确保中继终端处于开机状态,并指向中继卫星。     

卫星双向时间比对的设备时延标定方法

卫星双向时间比对的设备时延包含在伪码测距的测量值之中,精确标定设备时延是提升卫星双向时间比对精度的关键。针对卫星双向时间比对中的设备时延标定问题,提出了一种基于同源零基线测量的设备时延标定方法,将中国科学院国家授时中心的1套3.7m天线地面站和2套5m天线地面站并址安装,3套地面站同时进行卫星双向时间比对模式的观测,以此来标定3套地面站之间的设备时延相对值。试验结果表明,该方法可使设备时延标定的精度达到亚ns量级,能有效减小设备时延对卫星双向时间比对精度的影响,对于多个地面站站间时间比对具有一定的实际意义。     

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。     

美国TDRSS的发展及其新应用

本文将以1996年第二届TDRSS专题研讨会的内容为主,介绍美国TDRSS的现状,新研制星TDRS—H,I,J的主要技术指标改进,高精度定轨技术,TDRSS工作频段向Ka波段的过渡,几代用户转发器的发展情况,并较全面地介绍近几年来试验成功的若干TDRSS新应用,例如用于极区数据采集站高速数据中继,长期气球、无人飞行器和海上浮标的数据采集,运载火箭全程遥测数据的转发,遥感飞机高速图象数据和前向信息的传递以及正在研究的利用TDRSS对运载火箭发送靶场安全指令,为小卫星服务的按需接址业务等。     

中继卫星天线指向控制策略研究

首先根据中继卫星系统中中继卫星跟踪用户星的要求,定义了中继卫星天线坐标系,推导出了中继卫星天线对用户星的跟踪规律,通过该跟踪规律可以推出中继卫星跟踪用户星时天线方位和俯仰轴转角,为了保证中继卫星与用户星之间的通信,中继卫星单址天线需要精确的指向用户星;然后详细描述了天线指向控制概念,并且设计了星上自主控制方案,星上自主控制方案由捕获和自动跟踪模式组成,一方面设计了天线捕获过程,另一方面对自动跟踪模式的天线步进逻辑进行了合理选择;最后根据推导的跟踪规律,以不同轨道的用户星作为跟踪目标,对所设计的天线指向控制系统进行了数学仿真,并且通过对仿真结果的分析验证了中继卫星单址天线指向性能。     

鑫诺地面站对DFH—3卫星进行测距时出现2公里偏差的分析

鑫诺卫星测控管理站建成后,利用DFH-3卫星进行了测距定轨试验。鑫诺站定轨结果和西安卫星测控中心利用渭南站和厦门站对DFH-3卫星定轨的结果进行比较时,发现鑫诺站定出的轨道报数中,长半轴差2公里左右。本文对产生这个2公里左右偏差的原因进行了详细分析。发现原来研制单位提供的地面设备的零值是错误的,其中存在180°倒相。同时发现法国人提供的模拟应答机(TCR)的零值也是错误的。     

用户星中继终端在轨应用策略

在介绍在轨用户星中继终端的分类、功能和使用现状的基础上,重点对用户星中继终端多约束条件进行了梳理分析。为缓解常态化应急测控带来的资源紧张矛盾,提出了用户星中继终端在轨应用策略,即Ka/S模式下影随测控,小S模式下定时捕获。针对Ka+小S模式下实现影随测控的可行性问题,利用STK(Satellite Tool Kit,卫星开发工具包)软件进行了仿真计算分析,结果表明:为实现影随测控,满足测控快速响应需要,要求星载S频段中继测控天线对中继卫星的覆盖范围,应大于星载中继数传天线对中继卫星的覆盖范围。     

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。     

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。     

航天器利用跟踪与数据中继卫星系统导航的评述

NASA将利用跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)对地球卫星进行跟踪和通信。本文评述了利用TDRSS为航天器导航的能力。用加权最小二乘批处理技术拟合跟踪测量值,得到东TDRS卫星和几个用户航天器的轨道解。所研究的用户航天器有太阳峰年卫星(SMM),陆地卫星-5,地球辐射预算卫星(ERBS)和太阳散逸层探测器(SME)。以相继轨道解的一致性作为度量,评定了东TDRS卫星的轨道精度。将TDRSS跟踪获得的用户航天器轨道与同一时间由地面跟踪获得的结果进行比较,确定了用户航天器的轨道精度。研究了跟踪测量值特性和摄动力模型计算对轨道解的影响。介绍了东TDRS卫星和用户航天器的轨道确定结果,对这些结果进行的分析和评价以及由此得出的一些重要结论。     

欧洲的第二代数据中继系统

根据下世纪初大致的用户情况,欧洲数据中继系统将进入第二代,提出了几种新的系统结构,并从空/地段组成及费用进行了比较。所考虑的主要用户包括在轨基础设施(即哥伦巴斯)及保障它的运载工具(即赫尔墨斯及其后续型号)、地球观测平台、微重力自由飞行器及科学卫星。未来的第二代数据中继卫星一般装备一部S波段多址天线,用于同低地球轨道(LEO)卫星进行低数据率通信;并装备若干个光学终端,用于同低轨道和同步轨道卫星进行高数据率通信。如果需要同其它第一代数据中继系统相兼容,则也许还要使用Ka波段天线。该系统有两颗或三颗数据中继卫星,使用一系列关键技术,如光学线路和星上处理,以及改进的系统结构,将会: ·提高业务的可用性,增大容量; ·提高对低轨用户航天器的覆盖范围,可完全消除对400公里高卫星的覆盖空白区(ZOE); ·借助用户单位安装的小型、廉价地球站可以更方便地接通中继卫星系统。     

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。     

NASA准备放宽中继卫星使用限制

跟踪和数据中继卫星系统以前只用于政府的航天器,但每周都有一定的空余能力。NASA目前准备向工业界想试验新技术的用户开放该通信卫星网络。NASA官员说关于如何利用该系统须由工业界决定。 中继卫星位于赤道上空35406公里的轨道上,它能将航天飞机或卫星的数据中继到新墨西哥州白沙的地面终端。     

跟踪和数据中继卫星系统地面站的软件和数据自动处理装置

一简介跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)可以跟踪其它(用户)卫星并中继其数据。该系统的地面站可同时对K波段和S波段的19条正向(到用户星)和32条反向(来自用户星)的数据信道进行调制解调。中继卫星系统本身对数据是直通的,它与国家航空航天局之间直接传输同步信息流。四颗通信卫星都有这种数据信道,通过6个单址和3个多址天线进行。中继卫星系统每周7天、全天24小时都进行数据中继服务。用一个中继卫星的个别(井力)务最长可持续24小时;用3颗中继卫星,便可连续不断地为用户星服务。中继卫星系统地面站是一个自动化程度极高的通信电子设备的集合体。这种自动化是依赖于软件实现的,使用了一个庞大的计算机组合——9台DEC PDP11/70计算机和一台双处理机Univac 1110。该软件要完成三项主要功能:     

外测数据对流层折射误差修正及精度分析

针对对流层引起的航天器外测数据折射误差,基于对流层分段模型,以测站历史气象数据拟合折射衰减系数,建立测控站上空对流层折射率模型,并利用实测地面折射率对统计模型进行优化,进一步提高模型反映大气剖面的真实性.利用该模型对S频段多颗在轨卫星50多跟踪圈次的实测外测数据进行修正分析,并与微波辐射计实时修正结果进行比较,测距、测角、测速互差分别优于0.9m、0.02°、0.06 m/s.将该模型应用于卫星长管外测数据的实时修正,可提高轨道测量数据质量.     

我国第二代静止气象卫星定轨测距方案探讨

针对我国第二代静止气象卫星高精度定轨测距任务需求,提出了一种五站联合实时测距定轨方案。该方案可以实时修正电离层时延、卫星转发器时延等因素对测距精度的影响;同时对卫星设备配置要求相对简单。经初步分析,该方案可以满足我国第二代静止卫星定轨测距性能要求。     

多航天器交会下天地通信工作模式探讨

针对中国空间站工程航天器交会对接任务中,地面与多航天器同时进行天地话音和图像通信的潜在需求,分析TDRSS（TrackingandDataRelaySatelliteSystem,跟踪与数据中继卫星系统）、USB（UnifiedSBand,统一S频段）测控通信系统及天地通信中心系统支持多目标同时通信的技术原理,提出天地通信系统在双目标、三目标同时跟踪时的工作模式,介绍天地通信系统仿真验证体系,并重点阐述天地通信中心如何采用环回和回放数据文件的仿真方法验证系统对多目标的支持,由此表明天地通信系统具备同时与多航天器进行通信的能力。探讨的结果对工程和实际应用具有参考和借鉴价值。