基于经验加速度的低轨卫星轨道预报新方法

研究将定轨过程中的经验加速度应用于地球低轨卫星轨道预报的新方法. 利用GPS伪距观测数据和简化动力学最小二乘批处理方法对地球低轨卫星定 轨, 其中卫星位置、速度及大气阻力系数和辐射光压系数可以直接用于轨道预报. 作为简化动力学最重要特征的经验加速度呈现准周期、余弦曲线特点, 可通过 傅里叶级数拟合建模. 确定性动力学模型与补偿大气阻力模型误差的切向经验 加速度级数拟合模型组成增强型动力学模型用于提高轨道预报精度. 应用 GRACE-A星载GPS伪距观测数据和IGS超快星历定轨并进行轨道预报, 结果表明 轨道预报初值位置精度达到0.2m, 速度精度达到1×10-4m·s-1, 预报3天位置精度优于60m, 比只利用确定性动力学模型进行预报精度平 均提高2.3倍. 先定轨后预报的模式可用在星上自主精确导航系统中.      

基于神经网络模型的地球同步卫星高精度轨道预报

利用动力学模型得到的预报轨道精度随时间推移衰减较快,针对这一问题,提出一种改进地球同步卫星轨道预报精度的新方法.将神经网络作为工具,结合轨道动力学特性建立一个训练样本集,根据当前时刻预报误差特征在样本集中搜索最佳训练样本,利用训练得到的神经网络模型补偿和改进当前时刻的预报轨道,达到提高预报精度的目的.基于实测数据的试验分析表明,不同卫星在不同初始时刻下的改进效果是不同的.预报4 d的轨道精度由43m提高至15m,预报8d的轨道精度由183m提高至80m.基于神经网络模型预报4d和8d的改进成功率分别为78.33%和88.33%.     

X射线脉冲星自主导航的卫星运动方程

基于X射线脉冲星的卫星自主导航模型中, 无论从理论上还是从测量精度方面考虑, 光子到达时间测量方程(观测方程)和卫星运动方程(状态方程)应在同一参考系中讨论. 在DSX体系中太阳系质心系是惯性系, 可以使用现行时间测量方程, 但卫星摄动加速度中除了地球多极矩、日月引力摄动和太阳光压三项外, 还应考虑相对论修正项, 计算表明该修正项导致卫星位置误差在10m量级. 而地心系是非惯性系, 在此系中卫星运动方程中的相对论效应导致卫星误差在10 cm量级, 因而可以忽略, 但要将BCRS的时间测量方程转换到GCRS中. 在此基础上建立的导航模型较为精确和完整.      

基于位置观测的北斗广播星历速度精度分析

利用广播星历计算导航卫星的速度向量是GNSS高精度实时测速的必要条件.本文分析了仅以卫星位置向量为观测量的北斗广播星历的速度计算精度.从广播星历拟合过程出发,推导了北斗18参数模型的速度向量计算公式.基于北斗13颗在轨卫星一年的实际轨道数据,分析了全年广播星历计算卫星速度向量的精度.结果表明,利用18参数模型计算的速度误差最大在10-4m·-1量级;在相同拟合时段条件下,地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的速度精度相当,高于中圆地球轨道（MEO）卫星.通过对位置残差序列分析,得出位置残差误差较小且变化趋势平稳是广播星历计算速度精度较高的原因.分析和计算结果验证了仅用位置观测量拟合北斗广播星历算法的有效性.      

超低轨道地球卫星脉冲星/星光折射/光谱组合导航

针对超低轨道地球卫星导航自主需求,提出了一种脉冲星/星光折射/光谱测速组合天文导航方法。首先根据地球超低轨道卫星运行轨道动力学方程建立导航系统状态模型;分别根据脉冲到达时间差和星光折射角与天体光谱频率建立导航系统量测模型;使用Unscented卡尔曼滤波方法,降低随机误差对导航精度的影响,使用基于UKF的信息融合方法,有效融合了三种天文导航方法结果数据。经计算机仿真分析,该组合导航方法位置导航误差均值为85.62m,速度误差均值0.190m/s,能够满足超低轨道地球卫星在轨运行导航需求。     

零偏模式下太阳光压对轨迹保持控制影响分析

从某颗在轨卫星地面轨迹漂移“异常”出发,分析了该现象发生的内在机理,建立了零偏模式下（卫星姿态偏航角保持为零）光压摄动力沿迹方向累积效应解析模型,并基于历史观测数据通过轨道改进估计模型参数。最后,利用该卫星2018年真实地面轨迹对新模型预报精度进行验证。结果表明,采用新模型后,卫星地面轨迹漂移预报误差得到明显改善,为该卫星轨迹保持控制策略制定提供了技术支持。     

基于GPS的地球资源卫星精密星历外推新方法

随着技术的发展,通过星载GPS接收机直接确定卫星星历成为卫星定位的一个重要手段.GPS接收机获取的卫星星历数据是某一时刻的瞬时状态,要获取连续的卫星星历数据还需要进一步处理.常用的处理方法有几何法与动力学法.在GPS接收机给定瞬时星历频率较低的情况下,几何法的计算误差比较大,特别是只有一组瞬时星历时,无法用几何法进行轨道的外推.在分析地球资源卫星轨道特点的基础上,提出一种新的轨道缩减动力模型,该模型将卫星运动在直角坐标系中分解为简谐运动,利用模型实现了轨道外推的算法.通过试验验证,该算法可以达到较高的精度.      

“嫦娥二号”卫星拓展试验轨道计算中心天体的选取

飞行器的星历积分不可避免涉及中心天体的选取问题。“嫦娥二号”卫星在拓展试验期间处于弱引力区,文章针对拓展试验期间的轨道状态,从受摄运动二体问题角度分析得出适宜选取太阳作为中心天体。进而结合真实力模型情况,使用行星星历表计算行星产生的摄动力,从理论上推导得出在忽略小天体摄动的前提下,由于摄动天体同时对中心天体和飞行器产生摄动作用,以地球为中心天体产生的摄动力类似于潮汐力,而以太阳为中心天体则不然,因而更适宜选取地球作为中心天体计算轨道运动问题     

钟差和动力学参数联合约束下的北斗卫星轨道快速确定

受地球非球形引力、第三体摄动和太阳光压等摄动因素的影响,导航卫星位置存在长周期变化趋势,需要定期对导航卫星进行轨道机动,以保持卫星轨位和导航服务区.导航卫星机动后的定轨,特别是GEO卫星,其频繁轨控后的轨道快速确定问题,是制约卫星可用度和导航系统服务性能的重要因素.在基于伪距相位数据的轨道测定中,轨道与钟差的统计相关是制约卫星轨道快速确定的关键因素,特别是在观测弧段短的情况下,待估参数之间的相关性更强,动力学参数估计结果严重失真会导致轨道预报精度衰减明显.当卫星钟差与测站钟差通过外部手段高精度测定后,可以减少待估参数的估计,同时利用长弧定轨的动力学与运动学参数先验信息,对短弧定轨模式进行参数约束,卫星定轨精度将有很大的提升空间.通过钟差与力学参数的联合约束,实现了北斗卫星短弧快速定轨,解决了卫星机动后的轨道快速确定问题,SLR评估的卫星机动后4 h定轨外符视向精度优于0.71 m,比常规方法提高了3倍,预报1 h轨道视向精度为1.89 m,用户等效距离误差(UERE)精度达到1.85 m.     

引力场模型引起的卫星轨道径向误差的估计结果

本文给出几个最新的地球引力场模型误差引起的卫星轨道径向误差的估计结果,表明JGM3和TEG3优于其它模式,现有模式引起的低轨道卫星的轨道误差较大.      

轨道要素奇异问题的改进四元数方法

运用四元数方法可以在一定范围内解决描绘飞行器轨道运动时轨道要素的奇异问题。但四元数固有的双值性使得在对运动方程进行积分时,其正负选取很困难。为了解决这一问题,采用了改进约束方程的四元数方法,并用该方法描述了拉格朗日行星摄动方程,然后研究了地球扁率摄动对地球同步卫星轨道的影响。仿真结果表明：当偏心率小于1时,四元数可以很好地解决轨道要素奇异性问题。与改进的春分点轨道要素相比,四元数的方法有着更加明确的物理意义和几何意义,用四元数表示的运动变量方程的计算更为简单,积分计算效率更高,而且其计算误差也能达到精度要求。     

微小推力下小卫星的轨道递推与推力标定

针对采用微小推力进行轨道机动的小卫星,考虑复杂摄动力的基础设计了一种高精度轨道外推和推力在轨标定算法.首先,建立了考虑地球复杂摄动力和微小推力的小卫星轨道动力学模型;然后基于动力学模型,利用变步长龙格库塔算法,设计了对微小推力小卫星进行高精度轨道外推的方法.随后通过无迹卡尔曼滤波器(UKF),设计在轨标定算法,对存在误...     

基于夏氏最小二乘的轨道控制力系数辨识

在航天器轨道捕获、轨道维持和空间目标碰撞规避中都需要进行航天器轨道机动。针对航天器轨道机动过程中推力器的推力系数为装订常数,没有根据在轨工作实际进行优化而导致出现较大误差的情况,对控制力拟合系数进行辨识,作为修正控制参数以补偿轨道控制误差的依据,提高轨道控制精度。统计分析在轨管理的典型航天器平台及其发动机的轨道控制历史数据,分析轨道控制理论和在轨控制数据拟合建立轨道控制经验模型,用当前可测量的系统输入和输出预测系统输出的未来演变,得到不同工作情况下实际轨道控制误差与控制参数及其他主要影响因素之间关系的经验公式,为轨道控制策略决策提供参考。选取轨道半长轴控制量300m以上和300m以下的两类近地卫星,对其轨道控制历史数据进行分析,经实际数据测试,采用夏氏法进行推力系数拟合后预测的速度变化量精度较高。该种计算方法利用了轨道控制历史数据,计算方法简单,提高了轨道控制速度增量的预测精度,对轨道控制实施具有参考意义。     

“火卫1”轨道预报与动力学分析

使用数值积分的方法对"火卫1"(Phobos)轨道进行预报计算,介绍了计算"火卫1"轨道时考虑的动力模型与数值积分方法,分析了不同动力模型及参量对轨道计算结果的影响,并确定最终选择的模型。最后将计算结果与不同机构发布的最新历表进行比较,计算位置和轨道根数的差异。得到的结果与各星历之间差异的量级相同,进而验证了相关模型和算法的精度和可靠性。该轨道预报算法模型与分析结果将对"火卫1"探测任务提供参考。     

Influence of the 2:1 resonance in the orbits of GPS satellites

Due to the characteristics of their orbits the GPS satellites are submitted to the following main perturbations: terrestrial gravitational field, luni-solar gravitational attraction and solar radiation pressure (including the effects of the Earth's shadow). An additional perturbation arises due to the 2:1 commensurability of the orbital period of the satellite with the period of the Earth's rotation. An analytical theory is briefly presented to solve the equations of motion including the previously mentioned effects. The analytical solution, based on the Lie-Hori method, is compared with a numerical integration of the equations.     

Modeling and analysis of Earth’s gravity field measurement performance by inner-formation flying system

The Earth’s gravity field can be measured with high precision by constructing the purely gravitational orbit of the inner-satellite in Inner-formation Flying System (IFS), which is independently proposed by Chinese scholars and offers a new way to carry out gravity field measurement by satellite without accelerometers. In IFS, for the purpose of quickly evaluating the highest degree of recovered gravity field model and geoid error as well as analyzing the influence of system parameters on gravity field measurement, an analytical formula was established by spectral analysis method. The formula can reflect the analytical relationship between gravity field measurement performance and system parameters such as orbit altitude, the inner-satellite orbit determination error, the inner-satellite residual disturbances, data sampling interval and total measurement time. This analytical formula was then corrected by four factors introduced from numerical simulation of IFS gravity field measurement. By comparing computation results from corrected analytical formula and the actual gravity field measurement performance by CHAMP, the correctness and rationality of this analytical formula were verified. Based on this analytical formula, the influences of system parameters on IFS gravity field measurement were analyzed. It is known that gravity field measurement performance is a monotone decreasing function of orbit altitude, the inner-satellite orbit determination error, the inner-satellite residual disturbances, data sampling interval and the reciprocal of total measurement time. There is a match relationship between the inner-satellite orbit determination error and residual disturbances, in other words, the change rate of gravity field measurement performance with one of them is seriously restricted by their relative size. The analytical formula can be used to quantitatively evaluate gravity field measurement performance fast and design IFS parameters optimally. It is noted that the analytical formula and corresponding conclusions are applied to any gravity satellite which measures gravity field by satellite perturbation orbit.     

平均相对运动方程及其在卫星编队构型维持中的应用

针对近地轨道卫星相对运动过程中的周期变化特性,利用轨道周期平均方法给出了平均相对运动方程,并在此基础上设计了两种编队构型维持策略.首先,推导出以轨道根数差分表示的平均相对运动方程,该方程能有效消除相对运动的周期性变化.其次,针对大气阻力摄动和J2项摄动,利用轨道平均根数的线性化递推公式,给出了平均相对运动轨迹的预报方程,通过事先预报编队飞行的平均轨迹,为编队构型设计和保持控制提供参考依据.最后通过数学仿真对两种编队构型维持策略进行了验证.     

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。