HEO倾角长期漂移与控制策略

考虑日月引力对卫星轨道的扰动影响,分析了大椭圆轨道(HEO)倾角漂移规律,推导了小倾角HEO轨道的倾角长期漂移解析公式。结合HEO轨道倾角保持要求,给出了相应倾角控制策略。以STK为比较验证软件平台,经仿真分析与比较可知:文中推导的小倾角HEO轨道的轨道倾角解析公式较STK计算偏差在5%以内,验证了解析公式正确性;基于推导的倾角长期漂移解析公式,进行了倾角控制仿真,仿真结果表明了控制策略的有效性,并同时体现了倾角长期漂移解析计算公式在工程中的作用。     

一种IGSO卫星轨道维持时的偏航角调整策略

针对倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道维持问题，提出了在轨卫星在各种不同工况及约束下的偏航角调整策略。其目的在于减小偏航角的调整范围以及缩短偏航角调整时间，减小轨道维持过程对卫星业务连续性的影响。分析了偏航角的运动规律，以及升交点赤经对偏航角的影响。在此基础上，根据轨道维持时升交点赤经的不同、太阳高度角范围、轨道控制的时间约束、交叉点位置约束等不同情况，分别给出了卫星轨道维持时偏航角的调整方法及推力器选择方案。对于交叉点位置在中国境内的卫星，可以使偏航角调整范围不超过45°。此方法可应用于在轨卫星轨道维持管理的实践中。     

太阳同步(准)回归轨道卫星的轨道保持方法研究

文中使用解析方法对太阳同步 (准 )回归轨道卫星动力学特性进行了研究 ,分析了非球摄动、大气阻力摄动和太阳引力谐振等主要摄动因素对太阳同步 (准 )回归轨道卫星的影响 ,并以此为依据对太阳同步 (准 )回归轨道卫星的轨道保持方法进行了探讨。定量分析结果表明 ,该方法切实可行 ,可以为轨道设计和轨道控制研究工作提供参考。     

两种J_2摄动模型下卫星编队相对位置误差分析

为了研究一个轨道周期内卫星和卫星编队的运动规律,在J2摄动理论基础之上,采用摄动加速度分析方法,给出了J2瞬时摄动模型。以近地太阳同步轨道卫星和双星编队为例,与只考虑J2一阶长期项的平均摄动模型比较,仿真分析结果表明,对卫星而言,一个轨道周期内,卫星半长轴相对平均半长轴漂移达到18km,偏心率相对平均偏心率漂移达到10-3量级,轨道倾角相对平均轨道倾角漂移达到0.01°,即由于J2瞬时摄动的影响,卫星运动发生了摄动;对双星编队而言,一个轨道周期内,两星相对位置的径向误差达到5km,沿迹向误差达到19km,法向误差相对较小,在10-2量级上,相对距离的误差达到了19km,随着时间的推移,误差会越来越大。     

考虑太阳摄动的小行星附近轨道动力学

本文研究了艳后星(216 Kleopatra)和爱神星(433 Eros)附近的周期轨道,在考虑太阳引力摄动的情况下,发现了以往所遗漏的216 Kleopatra轨道族和环绕433 Eros的12族周期轨道,并且给出了它们的特性。研究结果表明,太阳引力对小行星平衡点位置的影响很小,但是对平衡点上航天器运动的影响较大。同族不稳定轨道中,大Jacobi常数轨道更容易在摄动后保持轨道原来特性,这很好地解释了小行星卫星在较远轨道上长期存在的可能性。     

miniSAR卫星精密参考轨道设计

为满足轻小型合成孔径雷达(miniSAR)卫星干涉测量任务对空间基线的要求,通过分析卫星参考轨道特性,建立了一套精密参考轨道设计算法。所建算法以miniSAR卫星成功入轨后的一组定轨数据及根据参考轨道特性解析得到的参考轨道预估值为输入,基于仅考虑中心天体非球形高阶引力摄动的轨道外推模型、Eckstein-Hechler平根模型及嵌套式迭代修正方法,设计输出其任务周期内使用的参考轨道。数值实验表明:所建算法设计的参考轨道生成的参考轨迹在三维空间的回归精度优于0.01 m,满足实际工程应用需求。      

基于参考轨道的Walker星座相对相位保持策略

针对高轨道Walker全球星座相对相位保持问题,在分析星座几何结构演化规律基础上,提出了一种基于动态调整参考轨道的星座相对相位保持策略.该参考轨道的半长轴取星座所有卫星的平均轨道半长轴的平均值,通过计算各卫星相对参考轨道的相对相位偏差以及变化率,而后根据有关维持的约束条件来选择合适的卫星进行站点保持,使得所有卫星的相对参考轨道的相位偏差不超过允许值.当一旦有卫星进行了站点保持,则参考轨道就重新统计确定.文章通过一个12颗MEO卫星构成的Walker-δ星座的分析算例,表明这种相对保持策略可以减少星座的站点维持次数.本文提出的方法可以为我国今后卫星导航星座的维持提供参考.     

严格回归轨道的管道导航方法研究

分析了作为参考轨道的严格回归轨道与卫星在轨运行状态的相对运动关系,提出近地遥感卫星的管道导航方法。由于参考轨道的设计只考虑高精度的地球非球形摄动,与在轨卫星的动力学环境存在差别,这导致两者之间存在切航向漂移。基于高精度的轨道动力学模型和位置确定方法,设计了卫星与参考轨道采样点的沿航向对齐算法,从而获取了卫星相对参考轨道采样点的相位时间偏差和卫星在参考轨道编队坐标系切航向平面内的相对运动轨迹,进而引入椭圆的“最小二乘适配法”获取相对运动轨迹的特征量。所研究的管道导航方法可应用于基于GNSS测量数据的卫星自主轨迹保持。     

行星三体引力摄动对卫星探测器大气制动的影响

考虑行星引力在其卫星探测器大气制动过程中的显著摄动,建立了基于Milankovitch参数的平均轨道动力学模型并对土卫六探测器进行仿真。首先,将轨道参数转换为无奇异的Milankovitch参数,考虑探测卫星的大气阻力、扁率摄动以及行星引力摄动,建立了半解析轨道方程。其次,以土卫六探测器为对象,选择不同的土星初始方位角进行有大气和无大气情况下的数值仿真,并进行比较分析。结果表明,土星初始方位角的选择会引起土卫六大气制动轨道偏心率和近拱点高度在不同范围内震荡,极大地影响大气制动效果。      

静止轨道卫星连续式等间隔脉冲推力东西位置保持策略

参考地球静止轨道卫星传统东西位置保持控制原理,提出连续式等间隔脉冲推力东西位置保持策略.在摄动分析基础上,给出该策略的控制流程以及控制参数计算公式,进行了轨道参数、姿态控制和角动量管理三方面的影响分析,仿真验证了该策略作用下卫星半长轴、偏心率和平经度的变化趋势,结果表明新策略可以长期有效地控制卫星平经度在漂移环范围内,并具有控制流程简单,位保精度高等优势.     

混合星座导航卫星广播星历相关问题研究

GPS卫星广播星历参数具有参数少、物理意义明确以及精度高等特点,可以考虑将它应用于包含MEO、IGSO和GEO卫星的混合星座卫星导航系统。分析了采用GPs卫星广播星历参数时MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度,并且比较分析了在一个卫星的轨道周期内,广播星历参数拟合结果的变化规律。仿真结果表明,MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合误差最大在分米量级;MEO和IGSO卫星在一个轨道周期内星历参数拟合结果的变化规律相近,但是与GEO卫星的差异较大。     

采用简单太阳翼指向控制的IGSO星座设计

在对以地球静止轨道（GEO）卫星为基础的全球覆盖通信星座的设计中,提出一种特殊的倾斜地球同步轨道（IGSO）星座,该星座中的卫星可采用与GEO卫星相同的太阳翼对日指向策略,避免了IGSO卫星为实现太阳翼对日指向采用偏航控制而引起的卫星设计复杂性和研制成本的增加。采用网格法对该星座的覆盖特性进行分析计算,结果表明这种IGSO星座可应用于单重覆盖或极区覆盖的任务,而3颗IGSO与3颗GEO卫星共同使用时可实现95%以上的全球通信覆盖率。     

Analysis on navigation accuracy of high orbit spacecraft based on BDS GEO and IGSO satellites

To make up for the insufficiency of earth-based TT&C systems, the use of GNSS technology for high-orbit spacecraft navigation and orbit determination has become a new technology. It is of great value to applying Geosynchronous Earth Orbit (GEO) and Inclined GeoStationary Orbit (IGSO) navigation satellites for supporting the navigation of high-orbit spacecraft since there are three different types of navigation satellites in BeiDou Navigation Satellite System (BDS): Medium Earth Orbit (MEO), GEO and IGSO. This paper conducts simulation experiments based on Two-Line Orbital Element (TLE) data to analyze and demonstrate the role of these satellites in the navigation of high-orbit spacecraft. Firstly, the spacecraft in GEO was used as the target satellite to conduct navigation experiments. Experiments show that for the spacecraft on the GEO orbit, after adding GEO and IGSO respectively on the basis of receiving MEO navigation satellite signals, the accuracies were improved by 7.22 % and 6.06 % respectively. When adding both GEO and IGSO navigation satellites at the same time, the accuracy can reach 16 m. In the second place, navigation and positioning experiments were carried out on three high elliptical orbit (HEO) satellites with different semimajor axis (32037.2 km, 42385.9 km, 67509.6 km). The experiments show that the number of visible satellites has been improved significantly after adding GEO and IGSO navigation satellites at the same time. The visible satellites in these three orbits were improved by 32.84 %, 41.12 % and 37.68 %, respectively compared with only observing MEO satellites.The RMS values of the navigation positioning errors of these three orbits are 25.59 m, 87.58 m and 712.48 m, respectively.     

对空间碎片近距随遇悬停的控制方法及悬停燃耗分析

对空间碎片检视或抓捕操控中的悬停控制及燃耗问题进行了研究。通过C W方程，建立任务星近距随遇定点悬停控制模型，通过设计状态反馈控制器分析定点悬停的可控性以及推控要求，结果表明近距悬停需要与悬停位置相关的两个正交方向上的常值连续推力控制量，以及用于抵抗扰动的三轴向上的反馈变推力控制量。分析了近距随遇悬停的推控分系统配置，建立了长时近距随遇悬停的燃耗及燃耗速率的数学模型，最后分析了既满足安全距离需求、又满足悬停方位需求的最小悬停燃耗模型。     

Orbit determination of BeiDou navigation satellite system maneuvered satellites based on instantaneous velocity pulses parameters

The BeiDou navigation satellite system (BDS) comprises geostationary earth orbit (GEO) satellites as well as inclined geosynchronous orbit (IGSO) and medium earth orbit (MEO) satellites. Owing to their special orbital characteristics, GEO satellites require frequent orbital maneuvers to ensure that they operate in a specific orbital window. The availability of the entire system is affected during the maneuver period because service cannot be provided before the ephemeris is restored. In this study, based on the conventional dynamic orbit determination method for navigation satellites, multiple sets of instantaneous velocity pulses parameters which belong to one of pseudo-stochastic parameters were used to simulate the orbital maneuver process in the orbital maneuver arc and establish the observed and predicted orbits of the maneuvered and non-maneuvered satellites of BeiDou regional navigation satellite system (BDS-2) and BeiDou global navigation satellite system (BDS-3). Finally, the single point positioning (SPP) technology was used to verify the accuracy of the observed and predicted orbits. The orbit determination accuracy of maneuvered satellites can be greatly improved by using the orbit determination method proposed in this paper. The overlapping orbit determination accuracy of maneuvered GEO satellites of BDS-2 and BDS-3 can improve 2–3 orders of magnitude. Among them, the radial orbit determination accuracy of each maneuvered satellite is basically better than 1 m. simultaneously, the combined orbit determination of the maneuvered and non-maneuvered satellites does not have a great impact on the orbit determination accuracy of the non-maneuvered satellites. Compared with the multi GNSS products (indicated by GBM) from the German Research Centre for Geosciences (GFZ), the impact of adding the maneuvered satellites on the orbit determination accuracy of BDS-2 satellites is less than 9 %. Furthermore, the orbital recovery time and the service availability period are significantly improved. When the node of the predicted orbit is traversed approximately 3 h after the maneuver, the accuracy of the predicted orbit of the maneuvered satellite can reach that of the observed orbit. The SPP results for the BDS reached a normal level when the node of the predicted orbit was 2 h after the maneuver.     

北斗卫星导航系统实时定轨与钟差处理策略

目前鲜有对北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS）实时精密定轨与钟差确定的研究,文章提出了BDS实时轨道与实时钟差处理策略,包括了观测与动力学模型、实时轨道与实时钟差处理流程与评估方法。尤其对于实时钟差,为了提高计算效率,联合使用两个独立并行的线程估计非差绝对钟差和历元间相对钟差。利用多模全球卫星导航系统试验(MGEX)与全球连续检测评估系统（iGMAS）实测数据进行了北斗实时轨道与钟差解算,BDS实时轨道径向平均精度对于GEO卫星优于20cm,对于IGSO与MEO一般优于10cm;钟差精度对于GEO卫星为0.5~4.5ns,对于IGSO／MEO为0.2~2.0ns。基于目前的轨道与钟差结果,实时精密单点定位（PrecisePointPositioning,PPP）结果可以达到分米量级。     

Instantaneous BeiDou–GPS attitude determination: A performance analysis

The advent of modernized and new global navigation satellite systems (GNSS) has enhanced the availability of satellite based positioning, navigation, and timing (PNT) solutions. Specifically, it increases redundancy and yields operational back-up or independence in case of failure or unavailability of one system. Among existing GNSS, the Chinese BeiDou system (BDS) is being developed and will consist of geostationary (GEO) satellites, inclined geosynchronous orbit (IGSO) satellites, and medium-Earth-orbit (MEO) satellites. In this contribution, a BeiDou–GPS robustness analysis is carried out for instantaneous, unaided attitude determination.     

FY-3D卫星的北斗掩星分布特征与误差特性

利用2018年1－3月FY-3D卫星的掩星折射率数据,研究了北斗导航卫星系统的掩星分布特点、数据精度以及误差统计特征。北斗导航卫星系统同步静止轨道掩星沿卫星轨道呈弧状分布在南北两极地区,倾斜轨道掩星在东西半球低纬度地区分别形成一小一大两个空洞,中地球轨道掩星则全球均匀分布。北斗掩星折射率数据精度在探测核心区域,即12~32 km范围内,与ERA5再分析资料计算的折射率相比,平均偏差的标准差约为1.5%,在核心区外,标准差从1.5%逐渐增大到6%。静止轨道掩星的平均偏差在高层略大于倾斜轨道和中地球轨道掩星。下降掩星在20 km以上区域的标准差大于上升掩星,20 km以下区域小于上升掩星。高纬地区北斗掩星标准差最小,低纬地区最大,对流层中下层尤其明显。分析结果表明,北斗掩星的数据精度和误差特征与GPS掩星数据相似。