GPS和类GPS测距技术在双星编队星座状态确定中的联合应用

为提高状态确定的精度,借鉴AFF技术引入一种辅助手段——类似GPS的伪距和载波相位测距技术(简称类GPS测距技术)．它的伪码码元和载波相位波长比GPS的更短,因而可获得更高精度的相对测量信息．针对对地观测的双星编队星座的状态确定任务,建立了联合GPS和类GPS测距技术进行编队星座状态整体确定的数学模型,并快速同时解算出GPS星间单差模糊度和类GPS星内单差模糊度,最后进行了数学仿真．仿真结果表明,编队状态的精度有明显提高,其中相对位置精度为10~(-3)m,姿态角精度为10~(-4)rad．仿真证明该方法有效．     

三星编队星座星间相对状态自主确定

在星间无线电相对状态测量系统中,针对三星编队星座相对状态联合解算时观测方程的几何结构比较弱、法方程病态的情况,提出了基于部分参数加权平差的相对状态解算方法。首先给出三星编队星座系统相对状态解算的数学模型,然后比较了联合解算方法和部分参数加权平差方法,最后对仿真结果进行分析。分析结果表明,使用基于部分参数加权平差的相对状态解算方法能够自主确定三星编队星座的相对状态。     

星间相对测量在三星编队中的应用

以NASA新千年计划中的深空计划3为背景，使用星载类GPS的伪距和载波观测数据，研究利用编队卫星间相对测量，高精度自主确定三星编队星座相对状态的有关问题；研究星间相对测量各种可能的测量方案和可能达到的精度，验证这种星间相对测量技术是否能够满足深空计划3的系统要求．首先建立了三星编队星间相对测量系统的数学模型，然后利用星载高精度伪距和载波观测信息，对各种可能的测量方案进行仿真协方差分析；研究利用卫星姿态机动提供的几何信息，进行单差整周模糊度初始化的问题，讨论了卫星姿态机动方案；最后针对每一种测量方案给出了仿真结果和相关的结论。     

联合CDGPS技术和星间相对测量进行编队星座状态确定

以空间圆3星编队星座为对象,建立了联合GPS载波相位差分(Carrier phase Differential GPS,CDGPS)和星间相对测量进行编队星座状态确定的数学模型;利用高精度的星间相对测量信息给星间公里级基线提供厘米级约束,极大地缩小了星间单差模糊度的搜索空间,进而在卫星无需机动的情况下采用Bayes最小二乘法快速解算出星间GPS载波相位单差整周模糊度;最后数学仿真证明了方法的有效性,结果表明卫星间相对位詈确定精度达10^-2m．卫星姿态确定精度达10^-3rad．     

编队星座相对位置精确测定与自主定轨方法

针对编队飞行星座,提出了一种全自主的高精度定轨与相对位置精确测定方法,对其主要关键技术之一的空间绝对定向的基本方案及其可行性和指标进行了研究,并进行了仿真验证.结果表明,通过编队星座星间高精度的距离测量和绝对定向观测,可以实现无需地面测控站和卫星导航系统支持下的编队星座全自主导航方案;在一定测距和测向误差条件下,绝对定轨精度可以优于20m,相对位置确定精度可优于10cm.相对误差与采样间隔有较明显关系,未来可考虑采样间隔控制在10s以内即可;绝对位置误差大小与采样间隔无明显关系,其中的主要误差是星座的整体平移误差.仿真结果验证了所提方案的正确性.      

星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航

为解决星座仅依靠星间链路测量进行自主导航时的整体旋转和漂移问题,提出一种星间链路联合磁测约束的低轨星座自主导航方法.通过星间观测相机和磁强计,获得同轨道相邻卫星视线矢量与地磁场方向之间的角距和地磁场模值,为低轨星座引入空间基准信息.在非秩亏性分析的基础上,分别建立状态方程和量测方程,利用扩展卡尔曼滤波方法进行整星座的最优状态估计.仿真结果表明,星座卫星自主导航位置精度优于20m,速度精度优于0.05m·s-1,自主导航运行时间维持180天,能够满足低轨卫星星座自主导航的应用需求.      

基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述

为统一描述编队飞行卫星中主从星的相对位置和姿态参数,利用对偶四元数,建立编队飞行卫星运动学模型,分析其物理意义,提出了基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述的划船算法,并利用这一算法解算出相对位置和姿态参数,突破了传统方法中将卫星轨道和姿态分而治之的方式。仿真结果表明该算法科学合理,能够有效描述编队飞行卫星间的相对位置和姿态。     

圆轨道星座位置保持控制的仿真与研究

星座构形可由卫星相对地球的位置和卫星相对卫星的位置联合描述。由于星座中卫星所受摄动,星座构形会在运行中发生改变,需要加以控制。针对同一圆轨道内的两颗卫星,推导了描述星座位置运动的数学模型,通过仿真验证了模型的精度;进而利用二次型最优控制理论给出了基于相对位置的控制规律,提出了星座相对位置保持、绝对位置可移动的星座控制方法;论证了相对位置保持控制所需燃料要比绝对位置保持控制所需燃料少,仿真结果验证了方法的有效性。     

近距离星间相对姿轨耦合动力学建模与控制

针对在轨服务过程中近距离星间相对位置以及相对姿态精确控制的问题,考虑相对姿态与相对轨道之间的耦合作用,建立星间相对姿轨耦合动力学模型.提出编队星相对基准星进行接近绕飞的任务需求,给出相对姿态以及相对轨道的期望状态.设计相对姿态轨道联合控制算法对相对姿态和轨道进行联合控制.仿真结果表明,所设计的控制算法能够很好地抑制相对姿态与相对轨道的相互影响作用,最终实现编队星对基准星的精确指向绕飞运动.     

基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位

针对分布式SAR卫星编队星间基线的高精度确定问题, 提出了基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位方法. 根据CDGPS原理及基于轨道动力学模型的星间相对定位原理,在CDGPS测量的基础上, 引入轨道动力学模型提供的先验约束信息, 对长弧段的观测数据进行解算, 克服了运动学逐点解算方法在观测几何较差或观测数据不足情况下无法应用的缺点. 此方法能够有效抑制测量中的随机误差, 提高相对定位精度, 提供了一种可实现mm量级星间基线确定的技术途径. 通过仿真计算验证了动力学方法的有效性. 计算结果表明, 动力学方法可以显著提高相对定位精度. 相对于运动学方法, 前者L1固定解的精度提高了68%, 而消电离层固定解的精度提高了95%.      

飞行综合控制系统空战决策方法

控制决策方法是飞机综合控制系统根据空战对策状态、双方的运动及性能参数等信息产生出机动策略的一种数学方法,是飞机综合控制系统决策层数学模型的重要组成。以空战攻防力学准则建立起的捕获临界条件作为评价函数,采用矩阵博弈数学方法求出离散化机动策略。主要内容：相对运动方程的建立;矩阵博弈策略算法;评价函数的建立等。     

Epochwise prediction of GPS single differenced ionospheric delays of formation flying spacecraft

Both single and dual frequency GPS relative navigation filters may benefit from proper predictions of single differenced ionospheric delays. In this article, the single differenced ionospheric delays of GPS observations are predicted for the GRACE formation during the switch manoeuvre.Two prediction methods are considered. The first is based on a Taylor expansion to first order of a mapping function that maps slant total electron content measurements to vertical total electron content estimates. The second method fits a shape profile through undifferenced ionospheric data available. It then raytraces through this profile to estimate the difference in total electron content along the path of the GPS signals.Continuously changing ionospheric conditions hamper the assessment of the quality of the predictions. Comparison of both methods shows that the raytracing method performs better. The difference of predictions and measurements generally shows a smaller RMS than the measurements alone. However, both methods suffer from a number of systematically unpredicted observations, which arise from small unaccounted differential variations in electron densities along the path of the GPS signals. These prediction methods perform better when spacecraft separation is small. Baselines considered here range from tens of kilometres down to several hundred metres. When smallest spacecraft separation occurs (0.4 km), the single differenced ionospheric delays exhibit RMS values of 0.0089 m. The first method shows a difference between measurements and predictions with an RMS of 0.0081 m. For the second method the difference RMS is found to be 0.0067 m.     

月球轨道交会对接航天器相对状态误差分析

为分析同波束干涉测量这一高精度相对测角技术对月球交会对接两个航天器的相对位置、速度(状态)影响,文章根据协方差分析理论及各测量量的模型,推导测量量关于相对状态量的信息矩阵,建立了相对状态误差协方差模型;结合月球轨道交会对接仿真轨道,开展测量误差对两个航天器的相对状态误差影响协方差分析。结果表明,在当前测量误差条件下,相对位置、速度误差分别达到米级和厘米每秒级。在分析相对状态误差影响因子的基础上,重点对同波束干涉测量差分相时延整周模糊误差及时延率误差对相对状态影响进行了分析,结果表明整周模糊度误差对相对位置误差影响显著,时延率误差对相对速度误差影响显著。     

编队卫星空间状态与星间基线的建模与分析

针对编队卫星任务中起重要作用的星间基线指标,在考虑精度需求的基础上对用于确定星间基线的空间状态量进行了选择,建立了空间状态量与星间基线的关联数学模型,提供了误差分析方法,仿真给出了一定场景设置下的精度影响因子等指标以定量刻画二者之间的误差传播关系。基线长度仅与编队卫星的相对空间状态有关,而基线姿态角还与主星的绝对姿态有关;且由卫星空间状态得到星间基线的过程中误差放大。     

Trapped particle energy spectrum in shuttle middeck

We describe the differential energy spectrum of trapped particles measured by a solid-state charged particle telescope in the mid-deck of the Space Shuttle during the period of solar maximum. The telescope was flown in two high altitude flights at 28.5° and 57° inclination. Assuming, as is normally done, that the variations of Shuttle orientation during the missions lead to average isotropic incident spectra, the observed spectrum disagrees significantly from AP8 model calculations. This indicates the need to take into consideration the variations of solid-angle direction relative to the magnetic field. The measurements show that there is a very significant flux of secondary light ions. The energy spectra of these ions does not agree with the production spectrum from radiation transport calculations based on omni-directional AP8 Max model as an input energy spectrum.

We also describe measurements of linear energy transfer spectra using a tissue equivalent proportional counter (TEPC) flown both in the mid-deck and the payload bay of the Space Shuttle. Comparisons are made between linear energy transfer spectral measurements AP8 model-based radiation transport predictions, and thermoluminescent dosimeter (TLD) measurements. The absorbed dose-rate measurements using TLD's are roughly 25% lower than the TEPC-measured dose rate measurements.     

一种基于太阳自转轴观测角的新型天文导航方法

针对太阳探测器,提出一种基于太阳自转轴观测角的新型天文导航方法,通过光谱仪测量太阳圆盘面边缘上两组连线互相垂直点的速度差值,建立速度差值与太阳自转轴观测角的数学模型,并以该观测角作为量测量来提供探测器的位置信息。仿真结果表明:相较于传统以太阳视方向作为量测量的导航方法,以太阳自转轴观测角作为量测量的新型天文导航方法的导航精度提高了17.4%。此外,还分析了测速敏感器精度、滤波周期和轨道倾角对导航性能的影响,为深空探测自主导航提供了新的理论与方法。     

GNSS-R open-loop difference phase altimetry: Results from a bridge experiment

The paper explores a method to obtain accurate lake surface heights using measurements of the Global Navigation Satellite System (GNSS) carrier phase reflected from the lake surface. The method is referred to as Global Navigation Satellite System-Reflection (GNSS-R) open-loop difference phase altimetry method. It consists of two key technologies: one is the open-loop tracking method to track the GNSS-R signals, where the direct GNSS signal’s frequency is used as a reference frequency to obtain the carrier phases of the GNSS-R signals; the other key technology is time difference phase altimetry method to invert the lake surface heights using two or more carrier phases of GNSS-R signals received simultaneously. A validation experiment is carried out on the SANYING bridge over GUANTING lake using a GNSS-R receiver developed by the Center for Space Science and Applied Research (CSSAR), processing the data with GNSS-R open-loop difference phase altimetry method. The lake surface height results are consistent with the height results of GPS dual-frequency differential positioning altimetry. The results show that we can achieve centimeter level height in one minute average, by using 11 minutes carrier phase data of three GNSS-R signals received simultaneously.     

圆轨道串行卫星编队的相对运动研究

针对圆形轨道串行卫星编队进行研究,推导出满足开普勒轨道假设的相对运动方程,从物理概念上证明了这种描述关系的正确性;并在此基础上利用星间测量信息,设计扩展卡尔曼滤波器进行相对轨道自主确定,仿真结果验证了此相对运动方程与导航方案的有效性。