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。     

三向测量模式在嫦娥三号探测器中的应用

以嫦娥三号探测器的三向测量跟踪数据为依据,利用最小二乘方法分析站间钟差,在5阶拟合计算中实现了ns级的拟合精度;然后使用探测器精密星历对三向测轨数据进行标校,经过修正后的测距系统差达到10m量级,拟合噪声水平优于1m;最后将三向测量数据应用于探测器的定轨、着陆点定位和动力下降段的弹道计算,其中环月段100km×15km轨道计算结果与精密定轨相比较偏差百m级,120km×70km轨道计算结果与精密定轨相比较偏差10m量级,月面定位与双程测距加时延定位结果相比较偏差10m量级。     

符合CCSDS标准的干涉测量系统接口设计

在参考国外各机构△DOR(双差分单向测距)干涉测量系统的数据接口设计方案和CCSDS(空间数据系统咨询委员会)相关标准的基础上,对我国干涉测量系统的数据接口与通信接口进行了设计。该设计方案与CCSDS标准《△DOR原始数据交换格式》相兼容,通信带宽可以满足对大数据量原始测量数据的实时传输。后续,将利用欧空局"金星快车"进行中欧双方干涉测量交互验证试验,验证双方相关处理系统的兼容性,以及相互传输的干涉测量原始数据格式与CCSDS RDEF(原始数据交换格式)的一致性。     

北京中心深空探测器精密定轨与分析软件系统

介绍了北京航天飞行控制中心针对火星探测任务所研制的深空探测器精密定轨与分析软件系统,描述了该软件系统开发的需求、功能设计和当前已经具备的能力,并用该软件进行了初步计算试验,结果表明该软件在MEX火星探测器定轨精度上可以达到与ESA的火星定轨精度相当的水平。此外,文章还给出了YH-1探测器定轨精度的初步仿真分析。     

嫦娥探测器轨道测定中的科学与技术问题

嫦娥探测器轨道测定技术既是成功完成工程任务的基础,也对月球科学研究起着重要作用。嫦娥探测器的轨道测定与地球航天器的轨道测定有诸多不同之处,本文介绍了绕月球探测与绕地球探测在测定轨技术方面的差异,并介绍了基于"嫦娥一号"、"嫦娥二号"月球探测器建立月面地形以及月球重力场模型的研究进展,最后分析了"嫦娥二号"平动点飞行试验以及小行星探测试验的测定轨能力。这些技术不仅在月球探测工程中起到关键作用,对我国后续深空探测也有很好的借鉴意义。     

CE-2小行星探测试验轨道快速重建研究

"嫦娥二号"实施小行星探测试验,与小行星交会时卫星距离地球约700万km,此飞行阶段卫星定轨计算精度非常依赖于测轨数据的弧长。卫星最后两次轨道修正只有13天时间,而实现小行星拍照试验指标要求轨道精度优于15km。如何利用有限的测轨数据实现高精度定轨是小行星探测试验必须解决的重要问题。针对控后跟踪弧段有限的特点,以10月9日控后飞行阶段为分析对象,设计了不同的定轨策略,并比较定轨计算的精度。计算结果表明,融合轨控前后的测轨数据开展定轨计算,可以有效提升定轨计算精度。利用控前1个月和控后10天的测轨数据进行定轨计算与控后6周数据定轨计算精度相当。     

空间飞行器的多普勒实时自主定轨精度分析

空间飞行器需要实时的高精度轨道信息来完成对栽荷的指令操作和遥感数据的实时处理。除了星栽GPS技术,星载多普勒无线电定轨定位系统（DORIS,Doppler Orbitography and Radio—positioning Intergrated by Satellite）是仅有的有能力提供分米级精度的实时在轨轨道确定技术,它可通过测量星地相对多普勒频移,在星上完成实时定轨和预报,目前该技术已在国外多个卫星上实现,达到了较好的效果,而我国还没有建立这样实时自主定轨系统。为此,结合我国高分辨率空间对地观测系统的建设需求和我国航天器对实时自主定轨及其精度的要求,利用扩展卡尔曼滤波算法对多普勒测量进行了实时自主定轨仿真计算,分析了频率偏差估计与否、初轨误差、地面信标站地理分布以及观测精度等对实时自主定轨的滤波收敛时间和定轨精度的影响,为我国利用DORIS技术进行实时在轨轨道确定提供方案和软件原型。仿真计算表明,基于28个全球分布的地面站,对于高度为800km的卫星,在忽略其动力学模型误差的假设下,若初轨三维位置、速度误差分别为100m（或差至1km）、1m／S（1d）,2h后滤波可以达到稳定收敛,收敛后的实时定轨误差可以达到0．1m（1d）。滤波估计参数除了6个卫星轨道状态参数,还估计了地面信标相对于卫星超稳定振荡器的频率偏差;     

基于我国深空站三向测量模式的数据精度分析

为了验证我国深空站三向测量模式的正确性,以同步星跟踪试验中的测量数据为基础,建立了站间同步修正算法和三向测量观测模型,通过与同步卫星的精密星历反算测量值比较,得到了测量数据的标定参数,结果表明,我国深空站测控能够实现dm级的测量精度,明显优于“嫦娥二号”测量的水平;同时利用测量数据进行定轨策略分析,最终实现了10 m量级的同步卫星定轨精度.分析结果为“嫦娥三号”探测器实施有效测控提供了依据.     

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。     

星载GPS测量数据预处理方法研究

针对低地球轨道(LEO)卫星星载全球定位系统(GPS)接收机应用的特点,对星载GPS测量数据误差及其对周跳探测的影响进行了分析,提出TurboEdit数据预处理方法中周跳探测算法的改进算法。在原周跳判断算法的基础上,通过引入与测量数据观测高度角相关的加权系数,将周跳探测与测量误差紧密联系起来。根据观测高度角的变化对测量数据误差进行估计,并根据估计情况对加权系数取值,从而实现对周跳探测算法进行调节,达到降低周跳探测失误率的目的。增加参与定轨计算的观测数据量,提高了低轨卫星连续定轨的能力。通过GRACE编队卫星实测数据对改进算法进行了仿真验证。     

近地卫星磁测自主定轨及原型化

利用三轴磁强计的测量信息可实时地确定卫星轨道。采用扩展卡尔曼滤波作为处理磁测自主定轨问题的滤波算法．并以地磁场强度幅值作为测量值，建立了近地卫星磁测自主定轨的数学模型。在数学模型的基础上实现了基于PC机、dSPACE一体化系统的原型化(Prototyping)实验。该原型化实验对磁测自主定轨的方案、理论、算法及实时运行特性做了进一步的验证。     

转发式测轨系统地面设备时延测量方法

受地面设备时延误差的影响,转发式测轨系统的卫星定轨精度受到严重制约。为实现卫星精密定轨,地面设备时延误差的精确补偿至关重要,因此需要对地面设备时延进行精确测量。采用一种外环设备时延测量方法,实现对转发式测轨系统地面设备时延的实时测量。经过试验验证和分析,结果表明地面设备时延测量稳定度优于0.3ns,修正地面设备时延误差后的卫星重叠弧段的轨道差RMS值优于2m。     

月球重力场模型误差对CE-5T1探测器定轨的影响

利用嫦娥五号再入返回飞行试验拓展任务期间获取的探测器(CE-5T1)实测数据,采用内符合方法比较了3种重力场模型的实测数据定轨结果,发现采用GRAIL(Gravity Recovery And Interior Laboratory,重力恢复与内部实验室)重力场模型进行定轨的结果最优。相比于之前的嫦娥系列探测器定轨常用的LP(Lunar Prospector,月球勘探者)重力场模型,采用GRAIL重力场模型定轨后测距数据的残差降低了1个量级。进一步采用不同重力场模型进行轨道外推,定量分析重力场模型对不同类型轨道的影响,结果表明,对于倾角为90°的环月极轨道,不同重力场模型的轨道外推结果差异较小;而对于倾角为20°和40°的环月轨道,不同重力场模型的外推星历的偏差均方根可达到2km,大于当前环月探测器的定轨精度。为此,建议在后续探月任务中使用GRAIL重力场模型进行轨道确定。     

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。     

相对测量在编队卫星自主定轨中的应用

针对编队卫星自主定轨问题进行了研究,设计了一种完全不依赖于地面站和GPS系统的自主导航方案。利用星间测量信息进行卫星编队相对轨道状态的自主确定;并在利用磁强计进行卫星绝对轨道自主确定的基础上,引入星间测量信息提高绝对定轨精度;设计扩展卡尔曼滤波器进行卫星编队轨道状态估计,数学仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。     

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.     

天宫一号频繁轨控条件下快速测定轨精度及策略分析

2016年,中国将要执行空间站与货运飞船的快速交会对接试验,该试验要求飞船起飞后6 h完成与空间站的交会对接。工程实践中需要对飞船进行多次远导控制,其间留给快速定轨的数据时长最少可能只有5 min,这对短弧定轨精度提出了较高要求。利用天宫一号在轨运行期间实测数据开展了快速测定轨试验,试验频繁轨控条件下5 min数据时长的快速测定轨精度。试验结果表明,不同条件下短弧定轨精度差异较大,这为快速交会对接试验带来了较大风险。为了提高短弧定轨精度,制定了利用轨控前后数据联合解算轨控从而增加定轨数据弧段的方法提高短弧定轨精度的定轨策略。分析结果表明,该定轨策略有效提高了短弧定轨精度,可满足快速交会对接试验轨道维持控制要求。     

国内外深空探测器精密定轨软件研究综述及WUDOGS简介

深空探测器精密定轨软件系统的研制在深空探测活动中是一个非常重要的环节,一直受到各大航天机构的重视。针对国内外深空探测器精密定轨软件平台的研究现状,重点介绍了具有代表性的美国JPL(Jet Propulsion Laboratory,喷气推进实验室)的DPTRAJ/ODP(Double Precision TRAJectory program/Orbit Determination Program,双精度轨道程序/定轨程序)和MONTE(Mission analysis,Operations,and Navigation Toolkit Environment,任务分析、操作和导航工具箱环境),GSFC(Goddard Space Flight Center,戈达德航天飞行中心)的GEODYN-II以及法国CNES(Centre National dEtudes Spatiales,国家空间研究中心)的GINS(Géodésie par Intégrations Numériques Simultanées,同步数值积分大地测量)软件系统,对这些软件的结构与功能进行了总结。之后对武汉大学自主研制的深空探测器精密定轨软件系统WUDOGS(Wuhan University Deep space Orbit determination and Gravity recovery System,武汉大学深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统)的主要模块与功能进行了介绍,通过与GEODYN-II的交叉对比验证,表明:对于探测器的轨道预报,WUDOGS与GEODYN-II的1个月位置差异小于0.3mm,2d位置差值小于5×10~(-3) mm;双程测距、双程测速的理论计算值和GEODYN-II的差值RMS(Root Mean Square,均方根)分别在0.06mm,0.002mm/s的水平;WUDOGS目前已初步具备了月球和火星探测器精密定轨能力。最后对WUDOGS的下一步发展方向进行了展望。     

MSL测控特点以及自主火星探测测控关键技术

火星科学实验室任务测控通信与导航技术代表了目前该领域的最新方向。在结合火星科学实验室任务特点并对其对测控通信系统设计性能、导航性能进行分析的基础上,以未来的自主火星探测以及火星采样返回任务为潜在工程应用目标,结合我国月球和深空探测测控系统的现状,梳理了我国未来自主火星探测中火星中继网络、火星探测器精密定轨,以及火星大气进入、下降和着陆过程中的信号检测与估计等关键技术。该研究对后续的自主火星探测测控通信系统的设计具有一定的参考价值,对推进我国深空探测测控系统的发展具有重要意义。     

导航卫星的短弧运动学定轨

导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,由于观测数据有限,传统的统计定轨理论难以实现导航卫星精密定轨。本文尝试采用一种不依赖轨道动力学的、新的运动学定轨方法来处理短弧和复杂动力学过程中的定轨,提出了基于多项式拟合的短弧运动学定轨算法,并提出2种不同的实现方案。该算法充分利用了高采样率的测轨数据,减少了结果的噪声,其优点在于不需要长时间累积测轨数据,可以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卫星速度信息等不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10min左右短弧运动学定轨的位置精度可以优于10m,速度精度优于4cm/s,满足了短弧跟踪条件下RDSS对卫星轨道精度的要求,实现了短弧跟踪条件下卫星精密定轨,但从轨道预报精度来看,该方法仅仅适用于短期预报。