基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测

针对由轨道控制、大气环境、碰撞等因素造成的低轨(LEO)航天器轨道突变问题,提出了一种基于预报偏差的轨道异常检测方法。选择LEO轨道的半长轴和倾角作为特征轨道参数,利用SGP4模型长期项对目标的两行轨道要素(TLE)进行预报得到特征轨道参数的预报值,通过对特征轨道参数的编目数据和预报数据进行平滑后求差得到预报偏差序列,基于马氏距离对预报偏差数据的两个分量进行联合异常检测。对Terra卫星2010年的机动事件分析结果同NASA发布的其机动历史相吻合,表明该方法可以有效地检测航天器轨道异常的次数、时间和类型,可应用于空间目标的监视与空间态势的感知。     

基于TLE双行根数的航天器机动检测方法

由于不同功能的航天器承担的任务不尽相同、轨道亦不相同等原因, 航天器不时需要变轨机动以确保完成任务. 对于非合作航天器, 其可能的变轨信息预先未知且难以预测, 故需要准确快速判断航天器的变轨事件, 以及时调整轨道探测策略. 由于美国公布的双行根数具有来源稳定、更新频率快和容易获取等特点, 本文结合航天器轨道动力学及变轨控制的特点, 提出了基于TLE双行根数的航天器变轨机动检测方法, 通过检测半长轴的变化量和相对距离最小值实现了在轨航天器轨道面内机动的检测. 以METOP-A1和IRNSS 1G两个航天器在2019年6－9月的TLE根数为例, 说明使用该方法开展机动检测的操作流程和步骤. 同时大量仿真计算结果表明, 该方法能够有效解决航天器在轨运行过程中面内机动时间和半长轴改变量的检测以及多次变轨识别的问题, 检测精度与TLE根数自身精度及机动量大小相关.     

利用卫星两行轨道根数反演热层密度

两行轨道根数（TLEs）是基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器位置和速度的一组轨道参数,通过求解大气阻力微分方程,可反演出热层大气密度. 本文选取近圆轨道CHAMP卫星和椭圆轨道Explorer8卫星,以两行轨道根数数据为基础,计算反弹道系数,并根据不同轨道特征采用两种不同反演方法对热层大气密度进行研究. 结果表明,这两种方法反演得到的大气密度与实测值均符合较好,其中CHAMP卫星的反演结果和经验模式值相对于实测值的误差分别为7.94%和13.94%,Explorer8卫星的误差分别为9.04%和14.32%. 相比模式值,利用两行轨道根数数据反演的热层大气密度更接近于实测值,说明该方法可以作为获取大量可靠大气密度数据的一种有效途径.     

低轨航天器弹道系数估算及热层大气模型误差分析

利用低轨（LEO）航天器在轨期间两行轨道根数（TLEs）数据,结合经验大气密度模型NRLMSISE00,反演计算得到其在轨期间的弹道系数B’,以31年B’的平均值代替弹道系数真值,分别通过标准球形目标卫星对比以及物理参数基本相同的非球形目标卫星对比,对弹道系数真值进行了检验;利用不同外形目标卫星弹道系数在不同太阳活动周内的变化规律,结合太阳和地磁活动变化,估计经验大气密度模型的误差分布. 结果表明,利用反演弹道系数31年的平均值来代替真值,其在理论值的正常误差范围内;大气密度模型误差在210～526km高度范围内存在相同的变化趋势,且模型误差随高度增加而增大;在短周期内B’变化与太阳活动指数F_10.7存在反相关性;密度模型不能有效模拟2008年出现的大气密度异常低. 以上结果表明,经验大气密度模型结果需要修正,尤其是在太阳活动峰年和谷年,此外,磁暴期间模型误差的修正对卫星定轨和轨道预报等也具有重要意义.     

一种基于TLE数据的轨道异常分析方法

空间在轨物体的轨道异常是航天工程及预警领域普遍关注的问题,及时发现轨道异常意义重大,通过分析空间物体的轨道异常,可以及时发现和识别规避事件或碰撞事件,还可以了解监测网的能力.本文提出一种基于TLE数据的简单的轨道异常分析方法——长半轴变化法.该方法快速有效,应用到低轨在用卫星和美俄解体碎片的异常分析中,异常物体正确识别率可达到100%;对美俄解体碎片进行轨道异常分析后得出,美国空间监视网可以稳定探测90%以上的解体碎片.     

基于TLE的Starlink星座第一阶段部署情况分析

近年来,随着卫星技术的快速发展和低轨（low earth orbit,LEO）卫星宽带互联网建设需求的不断增加,低轨大规模星座发展日新月异。针对Starlink星座初始化部署问题,首先论述了“星链”（Starlink）星座现状,分析在轨卫星高度变化。然后利用公开的两行轨道根数（two-line element,TLE）,从卫星发射入轨、轨道面分布两个方面,简要分析了Starlink星座的部署情况,给出升交点的变化规律;同时仿真分析了Starlink星座对地面的覆盖性能。最后,给出星座轨道面和相位分布、故障卫星处置以及可见卫星数量。所分析的结果以期为中国未来部署大规模LEO星座的建设提供借鉴。     

LEO卫星轨道误差对无线电掩星反演大气参数的影响

采用数值方法估计了LEO卫星轨道误差对无线电掩星反演大气参数的影响.并将其应用于1995年10月11日的某次掩星事件的观测资料处理和分析,得到了LEO卫星轨道误差对无线电掩星反演大气参数影响的定量结果.     

一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法研究

在用运动学方法进行小卫星绕飞编队的相对运动分析和轨道设计时,一般假设环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差、轨道倾角差和纬度幅角差均为小量,从而对相对运动方程进行近似和简化.但是当参考卫星的轨道倾角等于零或较小时,环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差和纬度幅角差并不是小量,此时由于假设条件不成立而无法得到合理的轨道设计结果.针对这种情况,本文提出了一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法.首先对零轨道倾角卫星编队的卫星相对运动方程进行近似简化,得到了以轨道根数差为参数的相对运动方程和卫星编队设计方法,然后通过转移矩阵变换来进行任意轨道倾角的卫星绕飞编队设计,最后通过实例验证了方法的正确性.     

利用GPS接收机的精确轨道确定技术

利用GPS接收机的导航信息精确确定接收机载体航天器的轨道根数.给出了为确保10 m量级的定轨精度所必需的精确坐标系变换与时间系统变换公式,提出了采用GPS接收机的导航信息与摄动运动方程式外推的组合导航方法,以保证接收机天线被短期遮挡时导航仍能正常运行.     

基于期望最大算法的空间事件及异常值探测

美国ELSET数据库提供的TLE数据是目前使用最广泛的数据,在热层大气密度反演、弹道系数估计、碰撞预警等领域具有重要作用。受空间环境扰动、空间事件以及TLE产生过程等共同影响,ELSET数据库包含大量亟待清理的异常值和识别的空间事件,例如发布错误的TLE、轨道根数异常和Bstar异常。现有方法在清理异常轨道根数时缺乏统一性,需要使用不同的技术,清理流程较为繁杂,并且仅适用于特定轨道区域的少数目标。为克服现有方法的弊端,提出了一种基于期望最大算法的滑动窗口–多项式拟合预报方法,对含有轨道机动的碎片以及受空间环境影响的碎片进行异常值与空间事件探测。研究表明,该方法能够灵活处理不同空间环境下的异常值与空间事件探测,具有普适性,适用于所有轨道碎片。     

CHAMP和GRACE-A/B反演大气密度数据评估分析

利用Colorado大学公开发布的2001-2008年CHAMP和GRACE-A/B三颗卫星加速度计反演的400km高度上的大气密度数据,以大气模式NLRMSISE-00为参考,分析反演数据与模式值的误差特点、产生误差的原因、密度的变化及合理性,并通过卫星轨道两行根数（TLE）的反演结果进行验证,主要结论如下.CHAMP密度值整体稍高于GRACE-A/B,CHAMP密度与模式值之间的误差整体小于GRACE-A/B,2007-2008年 GRACE-A/B与模式的相对误差变化起伏较大.2001年CHAMP与模式存在整体偏差,通过相似空间环境条件下的密度变化比对以及利用TLE的反演结果验证,确定2001年的CHAMP反演密度整体偏低.CHAMP及GRACE-A/B密度变化个例显示,卫星密度值会出现一些个性化特征,使用时应根据需求进行分析处理.研究结果可为合理应用该数据提供参考.     

基于单纯形法的TLE轨道确定

TLE数据库是目前公开获得轨道信息的唯一来源,其包含的空间目标将持续增加.利用TLE数据库获得精确的定轨结果已成为研究重点.由于TLE数据本身精度未知且存在波动,需要利用历史TLE数据对参考时刻的TLE状态进行轨道确定.常用方法为最小二乘法,但是该方法具有局限性,需要较为精确的初始值,且误差评估不可靠,解易产生发散.为克服现有方法的局限性,本文提出了一种局部搜索算法——单纯形调优法来实现TLE轨道确定.为避免构建的初始单纯形搜索得到的最优解属于局部最优,引入蒙特卡罗方法对初始单纯形进行采样,获得一系列解的统计分布,通过求该分布的期望和方差获得最终结果.研究结果表明,将单纯形调优法获得的结果用于传播预报可显著降低位置和速度误差.     

附加先验轨道约束的LEO几何法实时精密定轨验证分析

低轨卫星的实时精密定轨能够极大拓展其完成复杂科学任务的能力,例如实时环境监测、机动控制和卫星自主导航等.本文根据几何法实时精密定轨模型,提出了附加LEO先验轨道约束从而改善实时定轨的精度、收敛速度和稳定性的构想.分别采用广播星历、超快速星历预报部分和实时精密星历,设计了6种实时定轨方案,并利用Swarm-A,B,C星7天的观测数据进行方案验证与分析.结果表明,使用广播星历、IGU和IGC星历的方案精度递增,附加先验轨道约束能够进一步提升精度.使用IGC星历并附加标准差为1m的先验轨道约束后,在径向、切向和法向的定轨精度分别达到6.12cm,5.55cm和4.98cm.此外,附加先验轨道约束能够显著提升收敛速度,使用IGC星历平均收敛时间约为31min,附加标准差为1m的先验轨道约束后收敛仅需约4min.     

利用GPS实现高轨卫星定位的抗远近效应算法

针对GPS应用于高轨卫星定位面临的远近效应问题, 提出利用正交相关的联合极大似然估计算法来对GPS信号进行二维搜索, 可以得到正确的码延时及多普勒估计. 极大似然估计算法首先利用滑行相关法对仿真信号中的强信号进行搜索, 得到强信号模型, 然后利用正交相关去掉强信号, 最终实现对弱信号的正确捕获. 本文对高轨卫星接收到的GPS信号进行了功率分析, 并建立了信号模型, 进行了算法仿真. 结果表明, 这种估计算法能够提高二维搜索性能, 有效解决远近效应问题.     

TLE数据误差与基于TLE数据的交会预报分析

目前普遍使用TLE数据进行在轨物体的危险交会预报. TLE数据误差不仅会影响交会预报的准确性, 还是计算碰撞概率的必要参数, 因此, 只有准确估计TLE数据误差, 才能得到可信的碰撞概率数值. 本文采用两种方法, 即TLE数据自比和与高精度轨道预报数据相比较的方法, 计算TLE数据误差, 并分别利用TLE数据和高精度数据计算同一交会, 比较两种数据预报的交会结果差异. 结果表明, 采用TLE根数自比方法的计算误差偏小, 而使用精轨数据作为校准数据所得到的TLE误差更接近真实误差, 计算碰撞概率更为合理, 有利于减少虚警.     

气球卫星1990—81B和1990－81C的轨道变化和高层大气密度的测定

本文测定给出我国首次发射的专用于高层大气探测的两颗气球卫星DQ-1A(1990-81B)和DQ-1B(1990-81C)整个寿命期间的轨道变化,以及利用轨道衰变率,采用适合气球卫星近国轨道反测密度的一种方法,获得500-900km高度范围内太阳峰年期间的高层大气密度及其变化。结果表明,同时发射的两颗面积质量比不同的气球卫星所测定的高层大气密度及其变化非常一致,且明显地显示密度随太阳活动逐日的和27天周期性的变化。本文将密度测定结果与高层大气模型进行了比较和分析。     

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。