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。     

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;     

关于星—星跟踪的定轨问题

本文探讨星－星跟踪的定轨问题。研究结果表明：若与地面跟踪联合定轨，只要有一个地面站就可使定轨精度达到“理想”程度；而若完全抛开地面站，由星－星相对测量（采样为测量ρ这种类型的资料）自主定轨，则将受到一定条件的限制。     

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。     

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。     

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。     

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。     

卡尔曼滤波用于卫星定轨的研究

本文对卡尔曼滤波用于卫星定轨中的一些问题进行了探讨,对由力学模型误差引起的滤波发散,给出了合理选取动态噪声方差Q的方法,指出了应如何评定滤波精度。针对高精度的卫星定轨工作,给出了一套实用的算法,并通过实测资料的定轨计算,验证了所得结论。     

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。     

空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——结构设计

在空间飞行器综合定轨与参数分析软件（COMPASS）需求分析的基础上，重点针对定轨软件的总体流程、多卫星多传感器动力学定轨的流程、全球导航卫星系统（GNSS）数据处理流程进行结构设计，给出了详细的过程和数据流程图。这一工作为COMPASS的编写奠定了基础。     

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。     

锚固站数量及布局对导航星座自主定轨影响分析

针对导航星座自主定轨中的星座整体旋转问题,采用增设少量地面锚固站的方法可有效解决该问题。通过推导星地距离对卫星轨道升交点赤经的偏导数,证明了星地距离对卫星轨道升交点赤经可观。仅考虑在我国大陆范围内布设锚固站的条件下,仿真分析了锚固站数量以及布局对导航星座自主定轨精度的影响。仿真实验结果表明:采用3个以上的锚固站,即可有效控制星座整体旋转,在14d的仿真时段内卫星自主定轨精度保持4m以内;锚固站数量越多,自主定轨精度越高,但随着锚固站数量的增加,自主定轨精度改善程度越来越小;在保持4个锚固站的情形下,采用不同的锚固站布局方案,自主定轨精度并无明显差别。     

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。     

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。     

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。     

空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——需求分析

对空间飞行器精密定轨软件COMPASS的开发作了详细的需求分析，包括软件功能、定轨模式、可分析的数据类型、参数解算、运行环境等，以便为COMPASS软件系统的设计提供依据。     

拟线性最优平滑滤波及其应用

在普通推广卡尔曼滤波（Ｅ．Ｋ．Ｆ．）的基础上，提出了一种更加适用于非线性状态方程和观测方程的改进的滤波算法－－拟线性最优平滑滤波（Ｑ．Ｌ．Ｏ．Ｓ．Ｆ．）算法，在求该滤波算法的状态转移矩阵时，加进了二阶导数项，同时线性化的标称值取为单步平滑值，降低了非线性对滤波的影响，提高了滤波精度。通过对某歼击机的仿真飞行试验数据及实测数据的处理，表明该算法比普通推广卡尔曼滤波具有更好的收敛性、精确性。     

广播星历旋转误差对低轨星载BDS-3/GPS实时精密定轨影响分析

基于LT-01A卫星星载BDS-3/GPS观测值进行了星载实时精密定轨研究,并重点分析了广播星历旋转误差对实时定轨精度的影响。通过赫尔默特转换评估了所选时段内GPS和BDS-3广播星历轨道旋转误差,显示BDS-3广播星历旋转误差可达-8.7 mas,平均量级较GPS大约2.5倍。BDS-3广播星历经旋转改正后,轨道切向、法向均方根(RMS)误差从25 cm左右提升至10 cm量级,提升幅度超过50%。因此,基于星载BDS-3以及BDS-3/GPS联合的实时定轨精度受BDS-3星历旋转误差影响严重,且主要作用于切向和法向。经过旋转改正后,单独BDS-3实时定轨在切向、法向、径向RMS分别为21.0 cm、10.7 cm及11.2 cm,其切向和法向精度比改正前分别提升15.0%和31.8%;BDS-3与GPS联合定轨进一步提升切向精度至19.4 cm。得益于BDS-3广播星历较高的精度,单BDS-3以及BDS-3/GPS联合的实时定轨在旋转改正前的三维RMS分别为31.9 cm和29.2 cm,较单GPS实时定轨分别提升9.1%和16.8%;添加旋转改正后,其定轨精度分别提升至26.7 ...     

基于UKF的测速定轨实时算法

针对多测速元定轨测量方程非线性强的特点，引入了UnscentedKalman滤波。UnscentedKalman滤波通过设计少量的sigma点，并计算这些点经过非线性函数的传播，获得滤波值基于非线性方程的更新，从而避免扩展Kalman滤波线性化等缺点，提高了滤波精度。仿真结果表明，UnscentedKalman滤波方法可以很好地实现测速定轨，在飞行器实时跟踪领域具有较好的应用价值。     

大偏心率卫星单圈短弧段观测的定轨精度分析

本文采用仿真计算的方法,对大偏心率(e≈0.7)卫星轨道近地点附近,短弧段观测的定轨精度进行了初步分析。给出了在有观测仪器误差、站址误差和测时误差条件下,定轨精度的最佳理论值。同时对如何提高定轨精度提出了几点建议。