地球非球形对卫星轨道的长期影响及补偿研究

首先建立了地球非球形引力摄动模型,通过对地球非球形引力摄动对卫星轨道的长期影响分析发现,地球非球形引力摄动对卫星轨道升交点赤经和沿迹角的漂移量与时间成近似线性关系;然后推导了通过主动偏置半长轴和倾角的方法来补偿摄动长期影响的计算公式,设计了基于仿真的地球非球形引力摄动补偿方法;最后对GlobalStar星座卫星进行仿真与试验.结果表明,设计的补偿方法是可行的,摄动补偿后在地球非球形引力摄动作用下卫星轨道的长期稳定性得到了很好的保持.     

区域覆盖星座构型优化及协同控制策略研究

针对区域覆盖卫星星座的回归特性和构型维持需求,利用轨道半长轴和倾角与升交点赤经漂移和相位角漂移变化率之间的线性关系来优化星座构型参数,提高卫星星座构型的长期稳定性,同时通过协同控制轨道半长轴和倾角漂移量来实现区域覆盖星座构型维持。最后对区域覆盖天基雷达星座进行了构型优化设计和仿真,仿真结果表明了星座构型优化设计和维持策略的有效性。     

严格回归轨道自动生成算法及实现

近地太阳同步轨道卫星由平时轨道快速、精确机动至严格回归轨道是实现特定区域周期性重访的必要前提。为提高区域重访的快速响应能力,提出了一种严格回归轨道自动生成算法。首先根据重访区域的交点周期及重访周期要求,利用解析法快速生成初始严格回归轨道;然后基于太阳同步轨道特性并利用数值法进行多次寻优生成严格回归轨道,针对轨控时间、燃料消耗、偏心率等约束条件,给出了多脉冲轨控策略的具体实现;最后构建了轨道衰减的解析表达式,推导出严格回归轨道的控制窗口。结果表明:在国内可见弧度实施5天共5次轨道控制,卫星由太阳同步轨道机动至1天15圈的日回归轨道,区域重访周期约23h 59m 50s,燃料消耗59.9kg;在轨迹漂移量为5km的要求下,在标称轨道半长轴的基础上增加110.778m,轨迹网保持周期由15天延长至一个月以上,满足严格回归轨道重访要求。     

中继卫星系统组网运行问题研究

随着我国中继卫星系统的不断建设与发展,如何完善系统的组网运行管理,构建一个高可靠性和高可用度的系统是摆在我们面前的重要课题。在对美国TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)的卫星在轨备份、轨道漂移、卫星共位、地面终端站配置以及系统总体性能等方面进行分析的基础上,总结出其组网运行的4个特点:空间段具有备份节点、备份星;地面段配置备份中心、备份站;系统具备2颗卫星共位能力;系统具备轨道漂移能力。结合我国中继卫星系统建设与发展实际,得出了以下几点启示:加快备份星和备份站的部署与建设;适时形成单节点多星的星群配置;增加支持卫星轨道漂移和共位的能力;增加大椭圆轨道卫星的部署。     

基于目标运动特性的快响卫星轨道设计方法

针对可能发生的局部战争及冲突中对快速响应卫星所提供的战术情报的需求,综合考虑了快速响应卫星的入轨点位置、 目标的运动状态及位置属性和快响卫星的探测性能,提出了一种针对移动目标探测的快响卫星轨道设计方法.首先,建立了移动目标运动特性与快速响应时间的关系,并给出了快速响应时间的计算方法.接着,分别建立了快响卫星轨道高度与目标属性之间的不等式关系,以及快响卫星轨道倾角与升交点赤经的计算关系式.最后,结合实际案例,通过STK仿真验证了方法的可行性、 易操作性和实用性.     

广义轨道根数空间的轨道机动可达性

在由动量矩矢量和偏心率矢量定义的广义轨道根数度量空间内,研究了在初始轨道的任意点施加幅值固定的单脉冲后卫星的可达区域,包括脉冲施加的位置任意、方向固定和位置固定、方向任意2种情况,给出了广义轨道根数空间中轨道机动的可达性判据.通过比较脉冲作用前后的广义轨道根数,评估了单脉冲对广义轨道根数的影响,并且利用数值仿真分析了脉冲作用位置、方向与广义轨道根数空间中度量的关系.最后,在广义轨道根数空间中给出了轨道到轨道的机动策略,验证了广义轨道根数的可行性.     

轨道拦截预警算法研究

针对空间轨道拦截作战模式,提出了一种拦截预警的计算方法.推导了求解轨道交点位置的表达式,然后结合拦截卫星的末端威胁距离给出了判断拦截是否发生的地心距判据和时间差判据,最后通过仿真算例验证了交点表达式以及判据的正确性,并讨论了拦截卫星的威胁距离与时间差门限的关系.     

利用经度值进行同步卫星漂移率控制的方法

针对地球静止轨道卫星东西位保平经度差漂移环控制,通过分析和推导相关公式,给出了东西位保平经度漂移率、定点位置漂移加速度、位保周期、位保精度、速度增量、半长轴变化率及东西边界点漂移率之间的相互关系.结合实际东西控制,变换推广经典公式,提出了东西控制时刻不在边界点时轨道控制参数的计算方法.在此基础上,给出了按给定边界经度值进行漂移率控制的方法,并根据某型号卫星一次东西位保控制参数进行了反算,验证了方法的正确性.     

北斗GEO卫星南北控制对半长轴影响分析

在北斗GEO（Geostationary Earth Orbit，地球静止轨道）卫星南北控制期间，陀螺漂移、姿态控制、轨道平面变化等因素都会对卫星轨道半长轴产生影响，进而影响卫星星下点经度漂移，而在实际工程中难以提前准确预估南北控制对半长轴的影响。根据GEO卫星南北控制特点，分析了各因素对半长轴影响的原因，通过影响因素剥离的方法建立了各因素对半长轴影响的模型，利用在轨GEO卫星历次南北控制的实际数据，验证了模型的准确性并给出了各个因素的影响量级。结果表明，该模型可使得南北控制对半长轴影响的预测精度达到1 km以内，可用于北斗GEO卫星南北控制时半长轴补偿控制。     

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。     

基于连续同伦算法的天基仅测角初定轨方法

要进一步提高天基短弧初定轨的精度,在观测资料精度较高的情况下,仅考虑二体问题是不够的,还应考虑轨道摄动的影响。因此,基于无摄初轨的单位矢量法原理和矢量斜分解方法,给出了考虑摄动的天基仅测角初定轨单位矢量法。针对天基仅测角观测条件方程组求解过程中易出现迭代不收敛或收敛到平凡解的问题,引入连续同伦算法求解观测条件方程组,提出了单星观测方式下的空间目标天基仅测角初定轨方法,并通过数值仿真算例验证了该算法在较大范围的收敛性和数值稳定性。     

An epoch state filter for use with analytical orbit models of low earth satellites

Kalman filters provide a well established means for satellite orbit determination. In combination with space based sensors like GPS, DORIS or PRARE, accurate estimates of the spacecraft position and velocity can be obtained in real-time on-board the space vehicle. Traditionally, numerical methods of varying complexity are applied for propagating the state vector between measurements and updates of the state vector are referred to the epoch of the latest sensor output. In the present study a different approach is followed, which offers increased on-board autonomy and is particularly promising for small satellites with moderate accuracy requirements. An analytical orbit model is used to describe the spacecraft trajectory and mean elements at epoch are estimated instead of the instantaneous, osculating state vector. This adds the capability of performing on-board orbit prediction over time scales of up to one week, which is required, for instance, for the autonomous forecast of eclipse times or station contacts. Making use of the SGP4 orbit model that is compatible with NORAD twoline elements, an epoch state Kalman filter has been implemented and tested with GPS flight data of GPS/MET (MicroLab-1) and MOMSNAV (MIR). It is demonstrated that the proposed method provides an accuracy compatible with that of the analytical model and is robust enough to handle large data gaps in case of limited on-board resources for GPS operations. By adjusting the ballistic coefficient along with the mean elements, a considerable improvement of mid-term orbit predictions is achieved over methods that are restricted to the estimation of the state vector alone.     

近地轨道卫星太阳电池阵功率衰减估计

针对LEO(Low Earth Orbit,近地轨道)卫星的太阳电池阵输出功率衰减问题,在分析卫星轨道半长轴、太阳入射角、日地距离等参数变化与影响的基础上,提出按照轨道衰减快慢来区分太阳活动高年与低年,进而通过区分高年与低年,再根据不同季节分别进行太阳电池阵输出功率的衰减估计,而无须做功率归一化。同时,重点关注了夏至前后的最低输出功率的衰减情况,以此作为在轨卫星长期管理中的能源参考,建立平均电流和功率衰减因子估计模型,并结合实际工程数据进行了衰减估计。结果表明,太阳电池阵输出功率的年衰减因子约为-0.012,年衰减率约为1.2%。该结果可应用于在轨卫星长期管理的遥测诊断辅助。     

考虑轴颈涡动的滑动轴承动力特性数值研究

基于非定常动网格技术建立了考虑轴颈涡动频率与涡动轨迹的滑动轴承动力特性求解模型。在验证求解模型准确性的基础上,研究了轴颈正弦直线涡动轨迹、圆涡动轨迹、椭圆涡动轨迹下,涡动频率和偏心率对滑动轴承动力特性的影响。研究结果表明:轴颈的周期性涡动导致轴承油膜最小间隙和油膜压力周期性变化,油膜最小间隙越小,油膜压力越大;随着轴颈正弦轨迹涡动,由此形成的油膜力也呈正弦规律变化,且变化频率与轴颈涡动频率相同,但油膜力的相位滞后于轴颈涡动位移的相位;轴颈涡动频率及涡动轨迹对滑动轴承动力特性影响较大,需要考虑轴颈涡动对滑动轴承动力特性的影响。随着偏心率的增加,动力特性系数绝对值均随之增大。      

基于磁强计测量的微小卫星轨道姿态 耦合确定方法

针对基于磁强计测量的微小卫星, 提出了基于串并联混合策略的轨道姿态 耦合确定方法。滤波初期,考虑到估计误差较大,采用先地磁场大小测量的轨道确定、 后地磁场矢量测量的姿态确定的串联策略;稳定后,采用基于矢量测量的轨道、姿态同 步确定的并联策略。为降低轨道、姿态确定的相互影响,设计了基于信息的鲁棒Kalman 滤波,通过自动调节增益矩阵处理两个滤波系统间的影响。仿真表明,该方法在提高鲁 棒性的同时,还能适当提高状态估计的精度。     

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.     

轨道运动对高轨卫星成像的影响及补偿

针对三轴稳定静止轨道气象卫星图像运动补偿技术,分析了轨道运动误差源对有效载荷成像仪成像光轴的影响.基于轨道确定数据,采用空间成像矢量修正方法,对轨道运动引起的光轴偏离进行补偿.根据高分辨率成像对光轴高指向精度的指标要求,研究了轨道确定误差和有效载荷伺服控制系统误差对图像配准精度的影响关系,并指出了进一步提高图像配准精度的措施.仿真结果表明了补偿方法的可行性.     

Pico-satellite Autonomous Navigation with Magnetometer and Sun Sensor Data

This article presents a near-Earth satellite orbit estimation method for pico-satellite applications with light-weight and low-power requirements. The method provides orbit information autonomously from magnetometer and sun sensor, with an extended Kalman filter (EKF). Real-time position/velocity parameters are estimated with attitude independently from two quantities: the measured magnitude of the Earth’s magnetic field, and the measured dot product of the magnetic field vector and the sun vector. To guarantee the filter’s effectiveness, it is recommended that the sun sensor should at least have the same level of accuracy as magnetometer. Furthermore, to reduce filter’s computation expense, simplification methods in EKF’s Jacobian calculations are introduced and testified, and a polynomial model for fast magnetic field calculation is developed. With these methods, 50% of the computation expense in dynamic model propagation and 80% of the computation burden in measurement model calculation can be reduced. Tested with simulation data and compared with original magnetometer-only methods, filter achieves faster convergence and higher accuracy by 75% and 30% respectively, and the suggested simplification methods are proved to be harmless to filter’s estimation performance.     

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。