联合定轨技术及其应用前景

研究了联合定轨的基本原理并给出了计算方法，通过对中继卫星系统和编队飞行星座两种不同应用的联合定轨的计算分析，总结出了联合定轨不同于一般传统定轨的基本特点。中继卫星与用户星的联合定轨在精度 上优于传统定轨，并能够降低对地面测量站的测量几何和测站数量的要求。编队飞行星座的联合定轨，能够显著提高星间相对位置的精度，且几乎不受动力学模型误差的影响，从而在轨道外推时误差不会扩大。     

月球探测卫星的轨道支持

主要讨论采用月球卫星的探测方式时，月球探测器对测控系统的轨道支持要求和实现手段。重点对月球卫星转移轨道段的轨道测量和确定方法进行研究，利用仿真的地面站的测距和测角资料进行了定轨误差分析。     

利用DORIS测轨系统实现高精度定轨

仿真研究DORIS测轨系统,重点考察了大气密度模型误差、测量精度、测轨网分布对定轨精度的影响。仿真结果表明,除了测轨网的地理分布,动力学模型中的大气模型误差对中低轨卫星精密定轨结果影响也较大。对ENVISAT卫星的DORIS实测数据进行了定轨分析,结果表明实测数据的定轨精度比仿真精度大约低1个量级不到。综合仿真结果和实测数据进行精度分析,推断对800km高度的太阳卫星轨道,采用8个DORIS信标站布设,24h定轨,定轨三维位置精度可以达到29cm(1σ),其中径向误差为3.4cm(1σ)。若采用30个DORIS信标站布设,定轨精度可提高30%。     

纳卫星激光反射器光机设计及激光测距分析

针对我国首个大气密度探测纳卫星高精度测轨应用需求,设计了重量约112g、有效反射面积大于1cm2、外形尺寸为Φ96mm×20mm的轻型八棱台结构被动型激光反射器,作为无功耗载荷应用于纳卫星激光精密测轨,解决了纳卫星高精度独立测轨和外部轨道精确标定问题。利用地面激光测距台站开展卫星跟踪和精密测量,提供亚厘米级精度的激光测量数据。根据激光雷达测距方程及地面测距系统参数,分析了纳卫星激光回波信号强度,以及激光观测数据精度。测量结果表明,纳卫星激光反射器设计结果与实测数据相符,测距数据精度达8~9mm,可以满足纳卫星高精度激光测距要求,并支持卫星精密定轨及大气密度探测科学任务。     

基于中继测量的环月探测器定轨能力分析

嫦娥四号月球探测拟首次实现月球背面的软着陆,测控与数传依赖地月L2平动点的中继卫星,并有望获取四程测量与星间测量数据。对基于中继测量的环月探测器测定轨能力进行了仿真分析,结果表明,中继卫星可较好地实现环月探测器连续跟踪;在定轨能力方面,中继卫星自身轨道精度是制约环月探测器定轨精度的重要因素,当跟踪弧段达到5h以上时,定轨精度趋于稳定,但轨道精度较中继卫星的轨道精度相差1个量级;对于星间链路测量,除中继卫星自身的轨道精度外,星钟的稳定性是制约定轨精度的另一个重要因素,如果辅助以每天1h的地基跟踪亦可实现优于百m的定轨精度。     

单颗导航卫星的轨道确定

讨论在导航星座只有一颗卫星时，不依赖于时间同步系统的卫星定轨策略和精度分析。采用历元间差分算法，在消除钟差的主项（低频）误差后，将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据，并对其建立测量模型。仿真分析表明，此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度，利用实测的GPS数据进行轨道确定计算，计算结果表明，采用历元间差分算法，利用国内观测台站3天弧段的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨，其径向精度优于10m，利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13．8m。     

低轨微纳卫星全磁自主导航算法研究

针对低轨微纳卫星体积小、功耗低的设计约束,提出了基于低轨地磁的定轨/定姿全磁自主导航算法.该算法仅利用三轴磁强计测量值和卫星动力学方程建立Kalman滤波器,实现了低轨微纳卫星的全自主轨道确定和姿态测量,理论仿真结果表明,该全磁导航算法精度能够满足低轨微纳卫星的一般要求.利用高精度地磁模拟器搭建了微纳卫星全磁自主导航地面仿真验证系统,对算法进行了全物理仿真测试和实验误差分析,进一步验证了全磁自主导航算法的可行性,为低轨微纳卫星提供了一种低成本、高自主、高可靠性的导航方法.     

星载GPS相位非差低轨卫星定轨及其精度分析

星载GPS相位非差低轨卫星事后精密定轨无需考虑复杂的动力学模型和地面资料，只需低轨卫星上的GPS观测资料和IGS的GPS精密星历产品，而且对于不同高度的卫星定轨都适用，计算简单、方便，能快速、高精度地确定轨道，同时还能确定部分动力学参数。本文在研究相位非差定轨方法基础上，对低轨卫星的误差影响及其处理措施进行探讨，给出了GPS相位非差定轨流程，编写了相应的定轨软件（SHKINE），并利用CHAMP卫星资料对定轨的可靠性和精度进行分析，表明：利用自行编写的SHKINE定轨软件对CHAMP卫星定轨，3个方向坐标精度为10cm-20cm，点位精度为30cm-40cm，能满足一般定轨要求，是一种简单方便、行之有效的定轨方法。     

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。     

测控设备误差对奔月轨道探测器定轨精度的影响

随着我国航天事业的发展，登月探测器的研究日益显得重要。本文主要探讨奔月探测器在停泊轨道、转移轨道运行中，地面测控设备的误差对探测器各重要弧段定轨精度的影响。得出当仅使用USB设备时，定轨位置误差随设备误差基本成等量级变化；加入测角设备时，设备误差变化时，位置误差基本没有变化，可使用奔月轨道定轨最大位置误差达到10m。     

卫星双向法与卫星测距

卫星双向时间比对是目前远距离台站时间比对精度最高的时间同步技术,时间比对精度达几百皮秒,比GPS共视技术的时间比对精度几乎高一个数量级。中科院国家授时中心根据多台站卫星时间比对经验,提出利用卫星双向比对技术进行卫星测距(称转发器定轨)。实验证明:利用卫星双向技术(卫星需要转发器)进行卫星测距,可得到高精度卫星轨道(内符精度为几厘米)和卫星预报轨道。     

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。     

基于伪距信息的COMPASS-MEO导航卫星单星定轨分析

COMPASS-MEO导航卫星的伪距观测量包含星站距离、接收机钟差和卫星钟差以及各种噪声。本文首先分析了接收机钟差和卫星钟差在一定间隔内主要表现为线性变化的特性,可以考虑将接收机和卫星钟差作为测距的偏差和偏差变化率和轨道一起进行求解。其次,利用实测的MEO导航单星伪距数据,进行了数据预处理和定轨试验,分别对站间无时间同步信息和有时间同步信息两种情况进行定轨、残差分析和参数解算。使用重叠弧段、轨道预报和激光观测数据验证定轨结果的精度。结果表明,两种情况下的定轨结果无明显差别。该定轨方法可以运用于MEO导航单星精密轨道的计算。     

Precision Synchronization of Satellites in Inclined Orbits

Synchronization between an Earth station and a satellite in geostationary orbit can be accomplished by repeatedly transmitting sync burst signals and making small timing corrections. However, when a satellite is in an inclined nonsynchronous orbit, such as a navigation satellite, the problem is more complex due to the high relative velocity of the navigation satellite relative to the ground. One possible solution to the problem is examined by employing a satellite in geostationary orbit to communicate with the navigation satellite. It is shown that the uplink delay to the navigation satellite can be deduced to an accuracy of about 1 ns by making a single round trip transmission.     

高轨目标掩星成像相位恢复技术研究

高轨目标掩星成像通过观测高轨卫星对恒星的遮掩过程,实现对高轨目标的成像.该方法采用望远镜线性阵列观测高轨目标遮掩恒星过程中恒星亮度变换,获得高轨目标在地面的投影,通过相位恢复方法可计算得到卫星轮廓图样,具有成像分辨力高,设备制造难度小等优点,在高轨目标成像领域具有较好应用前景.本文分析利用掩星成像方法对高轨目标成像的可行性,重点对掩星成像过程的相位恢复方法进行改进,根据掩星成像特点对输入输出算法进行优化,仿真结果表明：改进后的相位恢复方法可显著提高图像恢复质量和掩星成像方法的空间分辨力.     

调频调相应答机距离零值测量新方法

叙述了分频调制度变换器的工作原理和时延测量。提出了根据测量FM信号源大频偏调制与小频偏调制的时延差来挑选出恒时延FM信号源,采用恒时延FM调制器构成FM—PM应答机（或FM—PM测距地面站）距离零值测量方法和设备,这是FM—PM体制侧音测距系统的一种距离零值测量新方法;提出了采用分频调制度变换器和非恒时延FM信号源构成FM—PM应答机（或FM-PM测距地面站）距离零值测量方法及设备。     

基于遗传算法的单站测速数据定初轨技术研究

只有单站测速数据的情况下,传统的定轨方法难以实现初轨确定.将遗传算法应用于定轨实践,实现了无初值条件下单站测速数据初始轨道确定,并能满足收敛要求,为缓解测控资源紧张提供了重要支持.在中巴“资源一号“卫星的长期测控任务中应用,证明了本方法的有效性.     

Geostationary orbit determination for time synchronization using analytical dynamic models

A real time analytical orbit determination method has been developed for precision national time synchronization. The one-way time transfer technique via a geostationary TV satellite standard time and frequency signal (STFS) dissemination system was considered. The differential method was also applied for mitigating errors in geostationary satellite STFS dissemination system. Analytical dynamic orbit determination with extended Kalman filter (EKF) was implemented to improve differential mode STFS (DSTFS) service accuracy by acquiring better accuracy of a geostationary satellite position. The perturbation force models applied for satellite dynamics include the geopotential perturbation up to fifth degree and order harmonics, luni-solar perturbations, and solar radiation pressure. All of the perturbation effects were analyzed by secular, short, and long period variations for equinoctial orbit elements such as semimajor axis, eccentricity vector, inclination vector, and mean right ascension of the geostationary satellite. The reference stations for orbit determination were composed of four calibrated stations. Simulations were performed to evaluate the performance of real time analytical orbit determination in Korea. The simulation results demonstrated that it is possible to determine real time position of geostationary satellite with the accuracy of 300 m rms. This performance implies that the time accuracy is better than 25 ns all over the Korean peninsula. The real time analytical orbit determination method developed in this research can provide a reliable, extremely high accurate time synchronization service through setting up domestic-only benchmarks.