单通道测量条件下DORIS实时定轨方法研究

重点研究了单通道测量条件下的DORIS实时定轨方法。推导了实时定轨的扩展卡尔曼滤波（EKF）公式,仿真生成了47个测站的观测数据文件,分析了单通道测量条件下EKF滤波器的收敛性及其精度。仿真实验表明,仅有单个测站的观测数据时,滤波难以收敛;但在不同测站的观测数据切换时,滤波收敛效果显著。对于轨道高度为800km的卫星,初轨各轴位置误差小于500m、速度误差小于5m/s时,滤波平均收敛时间约55min;若各项系统误差能准确建模,实时轨道的位置精度将优于40cm。     

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%。     

卡尔曼滤波定轨算法的研究进展

本文对国外卡尔曼滤波定轨算法的研究与试验进行了综述。80年代关于地球引场模型误差的研究，有大地改善了滤波的稳定性，在滤波的同时加进卡尔曼平滑，又显著提高了卡尔曼滤波的定轨精度。90年代美国、法国继研制成功卡尔曼波滤定轨软件，并投入试验运行，NASA的TONS软件（中继星星上导航系统）从1992年7月14日开始，在EUVE星上连续运行了320天，定轨精度（RMS）为25m。法国的DIODE（DORIS实时轨道确定）软件从1998年3月26日开始在SPOT4上运行的两年中，最长连接运行12个月，定轨精度（RMS）为6m。     

动量轮卸载对环月卫星SMART-1轨道的影响和定轨策略

动量轮卸载是卫星进行姿态控制的一种常用手段。通过对欧空局（ESA）首颗环月卫星SMART-1测轨资料的分析，计算了动量轮卸载对卫星轨道的影响，特别讨论了在动量轮卸载的精确信息未知时提高卫星定轨和预报精度的策略。计算表明，2006年5月29日至6月2日期间，SMART-1多达19次的动量轮卸载过程使得其轨道位置变化达到3km。如果不考虑动量轮卸载的影响，定轨结果相比于ESA重建轨道的位置误差最大可达742m。本文利用分段常数的经验加速度模型来模制动量轮卸载产生的小推力。计算表明，即使动量轮卸载的精确信息未知，采用该方法也可显著提高定轨和预报精度，定轨位置误差最大下降到246m。计算还表明，经验加速度的合理选择（周期性、常数或线性经验加速度）决定定轨精度的改善程度。考虑到我国的首颗探月卫星“嫦娥一号”也将采用动量轮卸载的方式进行姿态控制，本文的结论对我国的探月工程有一定的借鉴意义。     

利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析

怀柔一号引力波暴高能电磁对应体全天监测器（GECAM）卫星是中国探测引力波暴（GWBs）、快速射电暴（FRBs）和伽马射线暴（GRBs）等暴发现象高能电磁对应体的空间天文卫星。得益于使用硅光电倍增器代替传统器件的创新设计，GECAM在具有很高的时间分辨率（0.1μs）、绝对时间精度（～3μs）和很广视场的同时大幅减轻了重量。利用GECAM卫星的Crab观测数据，基于轨道动力学模型和脉冲星脉冲轮廓显著性分析的定轨算法（SEPO）开展了单脉冲星的定轨验证。结果表明该算法能实现对GECAM卫星B卫星的轨道进行定轨，利用40天的在轨观测数据可得定轨精度（99.7%置信度）如下：轨道半长轴精度为5.85 m，偏心率精度为0.000 121，轨道倾角精度为0.013 1°，升交点赤经精度为0.165°，近地点幅角精度为0.216°，平近地点角精度为0.217°。试验证明了用作伽马暴监视的微小卫星也可进行脉冲星定轨，为中国未来脉冲星空间定轨和导航提供了新的思路。     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.     

双线程滑动窗口多系统GNSS超快精密定轨实现及评估

全球导航卫星系统（GNSS）超快精密定轨为GNSS实时应用提供了高精度空间基准。基于天地协同定位、导航与授时（PNT）网络服务中心实现了四系统GNSS卫星超快精密定轨,并对定轨结果进行精度评价。介绍了天地协同PNT网络的概念内涵以及网络服务中心部署的超快精密定轨软件架构和详细功能,并针对实时应用需求提出了一种双线程滑动窗口超快精密定轨策略。最后利用重叠弧段比较、与外部轨道产品比较以及卫星激光测距（SLR）检核3种方式对定轨结果进行了精度评价。结果表明,与武汉大学分析中心的最终事后精密轨道产品相比,四系统GNSS MEO卫星预报6 h弧段的径向均方根（RMS）误差整体在2~5 cm水平,BDS2 IGSO卫星最小一维RMS误差在10~15 cm水平;GPS和Galileo卫星的SLR检核残差均值在1~3 cm水平,标准差在3~6 cm水平,能够满足后续厘米级实时应用对空间基准的精度需求。     

地球静止卫星精密测定轨技术的现状及发展

介绍并分析了针对地球静止卫星的各种高精度测定轨跟踪技术.指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨在沿迹方向和法向的主要误差源,为保证一致的卫星三维位置解算精度,应利用高分辨率的角度观测约束信息来有效地降低测距偏差对轨道确定的影响,或者利用天地基联合定轨的低轨卫星运动几何在轨道改进的同时精化测距偏差.     

基于改进UKF的小卫星磁测定轨方法

针对小卫星设计简单、功耗低的特点,提出一种利用三轴磁强计测量信息实现卫星磁测自主定轨的方法。为了提高自主定轨的计算效率,采用基于球体单形ε点采样的改进UKF(Unscented Kalman Filter)作为处理自主定轨的滤波算法。最后对这种定轨方法进行了仿真试验,结果表明,该滤波算法能有效保证收敛的速度和定轨精度。     

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。     

地月系共线平动点探测器的星上轨道预报问题

针对定点在地月系共线平动点附近运动的探测器，研究其轨道预报问题，并探讨了星上外推预报时的力模型简化问题。首先定量分析了共线平动点L1和L2附近探测器的受力情形；然后构造了真实力模型下这些点附近的目标轨道并研究了其误差传播规律，指出这类轨道相比一般卫星轨道预报的不同特征；最后结合星上有限的计算和存储资源限制探讨了力模型的简化问题。此项工作可为定点在平动点附近的探测器的星上预报提供参考。     

Analytic study of Doppler-based handover management in LEO satellite systems

The problem of dynamic handover management in low Earth orbit (LEO) satellite systems is addressed. Particularly, an analytical study of a newly proposed method for handover management, called dynamic Doppler-based handover prioritization scheme (DDBHP), is presented. DDBHP utilizes Doppler shift monitoring of each communicating user terminal onboard the satellite and geometric characteristics to accurately predict the handover load. As a result, handover requests are more effectively managed, resulting in an improved performance in terms of blocking and forced termination probabilities. Moreover, by supporting guaranteed handovers, DDBHP can be used to provide QoS to users of future broadband satellite networks. An extensive mathematical model that justifies Doppler shift monitoring is presented along with a detailed queueing model used not only to evaluate DDBHP performance but also to provide a methodology for associating DDBHP operational parameters with desired performance. Comparison of analytical and simulation results validate the proposed model.     

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。     

低轨卫星多普勒频移特性的快速计算

地面站利用低轨卫星进行通信时,地面接收站接收信号存在明显的多普勒频移现象。为描述多普勒频移特性,首先分析卫星轨道偏心率对多普勒特性曲线的影响,分析表明：轨道偏心率越大,地面站接收信号多普勒变化率越大。其次,推导了卫星多普勒频移的计算表达式,并讨论了低轨卫星多普勒频移特性曲线的快速计算。仿真计算结果表明,该算法可以很好地描述任意低轨道卫星多普勒频移特性,并明显缩短了精确算法的计算时间,对于10 000km轨道高度卫星,算法置信度可达99%以上。     

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.     

自主机动条件下的实时定轨方法

中继卫星在跟踪自主机动用户目标时,由于机动轨道未知,需要利用中继卫星下传的星载GNSS(Global Navigations Satellite System,全球导航卫星系统)数据进行实时轨道确定与预报,为中继卫星跟踪提供实时的引导信息,以方便中继卫星快速捕获目标和连续稳定跟踪。针对该类用户目标的任务需求,讨论了基于星载GNSS数据自主机动条件下的实时定轨方法,建立了连续推力机动力学模型。以某一型号卫星的实测数据进行分析验证,并对轨道机动进行辨识,计算的机动加速度和机动时间与试验单位提供的结果一致。针对卫星不同机动情况,5min的观测数据定轨预报10min的弧段,最大位置误差小于8km,可以为中继卫星快速捕获提供高精度的引导信息。     

Effect of earth?s rotation and range foldover on space-based radar performance

Space-based radar (SBR) by virtue of its motion generates a Doppler frequency component to the clutter return from any point on the Earth as a function of the SBR-Earth geometry. The effect of the rotation of the Earth around its own axis also adds an additional component to this Doppler frequency. The overall effect of the rotation of the Earth on the Doppler turns out to be two correction factors in terms of a crab angle affecting the azimuth angle, and a crab magnitude scaling the Doppler magnitude of the clutter patch. Interestingly, both these quantities depend only on the SBR orbit inclination and its latitude and not on the location of the clutter patch of interest. Further, the crab angle has maximum effect for an SBR on a polar orbit that is above the equator. The crab magnitude, on the other hand, peaks for an SBR on an equatorial orbit. Together with the range foldover phenomenon, their overall effect is to generate Doppler spread/splitting resulting in wider clutter notches that degrade the clutter nulling performance of adaptive processing techniques. A detailed performance analysis and methods to minimize these effects are discussed here     

Precise orbit determination of high-earth elliptical orbiters usingdifferenced Doppler and ranging measurements

Recent advances in NASA's Deep Space Network station calibration methods have led to renewed interest in the use of differenced radio metric data types for interplanetary navigation, particularly differenced Doppler and range. An orbit determination error analysis is described which compares the performance of these differenced data types when used in concert with conventional two-way Doppler for precise navigation for high-earth orbiters. Three highly elliptical orbits were investigated, with apogee heights on the order of 20000, 70000, and 156000 km. The analysis assumes that each orbiter's downlink antennas has no ground footprint limitation in the near apogee regime. Results indicate that the most significant navigational accuracy improvements are seen for the lowest altitude orbit by using differenced Doppler measurements in conjunction with two-way Doppler. The results for the two higher-altitude orbits, although less dramatic, suggest accuracy improvements can also be achieved when differenced range measurements are combined with two-way Doppler     

Autonomous navigation to quasi-periodic orbits near translunar Ubration points

Libration-point missions have been very useful and successful. Due to the unstable natures of most of these orbits, the long-time stationkeeping demands frequent maneuvers and precise orbit determinations. Earth-based tracking will have to undertake much more responsibilities with the increasing number of libration missions. An autonomous navigation system could offer a better way to decrease the need for Earth-based tracking. Nevertheless, when an autonomous navigation system is applied, there are three important factors affecting autonomous navigation accuracy, i.e., the accuracy of initial conditions, the accuracy of measurements, and the accuracy of onboard dynamics for propagation. This paper focuses on analyzing the influence from the third factor and finding an appropriate navigation dynamics, which can satisfy the requirement of estimation accuracy but not cause too much burden for onboard computation. When considering the restricted three-body model and the bicircular restricted four-body model as navigation dynamics, the astrin- gency is not shown during the simulations. Meanwhile, when considering the influences of the Sun＇s direct and indirect perturbations and the eccentricity of the Moon＇s orbit, a new navigation dynamic model with the standard ephemerides is proposed. The simulation shows the feasibility of the proposed model.     

一种主字母体制安控指令检测采样优化方法

针对工程实现中主字母体制安控系统的指令实时检测性能受采样方案影响较大的问题,通过对单音信号频率、检测采样频率和采样点数的合理选择,提出了一种指令检测的采样优化实现方案。仿真实验结果表明,通过对采样方案的优化,在固定多普勒频偏和可变多普勒频偏情况下,可以最低采样点数实现指令可靠检测,便于利用FPGA实现实时处理。