星载GPS低轨卫星几何法精密定轨研究

本文讨论了星载ＧＰＳ接收机为单频情形的代轨卫星几何法定轨,包括载波一相对定轨法和动态网定轨法,并利用Ｔｏｐｅｘ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ卫星星载ＧＰＳ实测数据中Ｌ１载波相位观测值进行验证,结果表明,载波相位相对定轨精度与地面基准站的观测质量有关,其三轨道位置精度为分米级;载波相位动态风定轨精度介于各基准站皮相位相对定轨之间,它相当于在各基准站相对定轨之间加权均衡,而且提高了定轨的可靠性。     

星载GPS几何法实时定轨有关问题的研究

首先讨论了星载GPS几何法实时定轨的绝对定位方法和各种差分技术。由于伪距差技术能克服GPS卫星的星历误差、卫星钟误差，特别是SA误差的影响，而且实现难度不大，所以应用它来实时定轨。实测数据的处理表明，它能明显提高定轨的精度。然后分析了星载GPS所受扰动影响的情况，对应用抗差估计削弱GPS卫星信号扰动的影响进行了试验，试验的结果说明抗差估计能进一步提高星载GPS几何法定轨的精度。     

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度,传统几何定轨法精度受限,只能达到亚米级,而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解,定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能,利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品,对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算,与事后精密轨道结果进行比较,分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据,切向与径向的定轨精度可达2cm左右,法向为5cm左右,较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。     

基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨

为满足搭载单频GPS接收机低轨卫星的精密定轨需求以及深化单频定轨研究,文中解决了单频星载GPS数据的周跳探测问题,并利用“海洋二号”（HY-2A）卫星及“资源三号”（ZY-3）卫星的单频星载GPS实测数据采用两种方法确定了二者的简化动力学轨道,并通过观测值残差分析、与双频精密轨道比较、激光测卫数据检核等方法对所得轨道精度进行评定。结果表明,在不考虑电离层延迟影响的情况下,HY-2A卫星定轨精度为2~3dm,ZY-3卫星为1m左右;而采用半和改正组合消除电离层延迟一阶项影响后,二者定轨精度均显著提高,HY-2A卫星三维精度提高至1dm左右,ZY-3卫星提高至1~2dm。文章的研究成果表明,搭载单频GPS接收机的低轨卫星也可获得厘米级的定轨精度。     

月球卫星的精密定轨

发射月球卫星是探测月球的一个重要途径,而且为了找水,多采用极轨方式.由于作为中心天体的月球与地球有所不同,导致月球卫星的运动及其相应的轨道摄动解亦有明显差异.在这种背景下,本文选择采用一组适用于0≤e<1和0°≤i<180°的无奇点根数、充分利用数值法和分析法各自特点的定轨方法,给出月球卫星的精密定轨方案,并以测距的模拟资料进行了实算,计算结果与理论分析相符,有实用前景.     

基于光学测角数据的风云四号同步轨道卫星精密定轨

针对风云四号同步卫星的精密定轨和精度评估需求,首先利用地面光学测角数据对FY-4A卫星进行精密定轨,定轨后方位角和高度角的残差rms分别为0.25＂和0.45＂。与基于测距数据的轨道相比,位置精度在有测角数据的弧段内小于50m。进一步联合测角数据和测距数据对FY-4A卫星进行联合定轨,定轨后轨道重叠精度优于15m。利用联合定轨结果评估了基于测距数据的实时轨道产品精度,可以明显发现轨道精度随着测距数据的积累而逐步提高。     

基于实时SSR数据的LEO卫星精密单点定位研究

对目前低轨卫星实时定位的方法进行了研究,现在通常采用GPS定位,使用广播星历和普通晶振,实时定位精度一般在10m以内,不能满足高精度实时定位的需求。IGS组织在全球范围内对GPS跟踪分析,生成精密星历、精密钟差产品、按SSR格式的广播星历和钟差修正产品并在网上发布。对这些IGS产品进行了调查,提出在现有测控支持情况下,可以通过高密度上注SSR信息流实现在轨高精度定位。以某型号低轨微小卫星在轨导航增强载荷为应用背景,用IGS03产品中的1057和1058数据对双频GPS接收机的星历和钟差进行修正,采用递推最小二乘估计和LAMDA模糊度固定过对载波相位和伪距信息进行处理,在短时间内获得亚米级定位结果。     

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

导航星座不完整对星间自主定轨几何精度因子的影响

星间自主定轨是星座自主导航的关键技术. 在系统建设初期未完成全星座组网、卫星出现故障或受损等情况下, 部分卫星缺失将导致导航星座不完整, 其对星间自主定轨性能的影响值得研究. 本文在提出逐卫星加权最小二乘自主定轨估计方法的基础上, 引入几何精度因子作为衡量星座不完整影响卫星自主定轨性能的指标, 最后以Galileo星座为例进行了仿真与分析. 结果表明, Galileo星座中卫星进行自主定轨时其可视卫星的冗余度较高, 少数卫星缺失不会对星间自主定轨的几何精度因子产生明显影响. 只有当星座缺失卫星数达2/3时, 会使得部分卫星的几何精度因子超差, 卫星自主定轨性能明显下降.      

基于测速定轨的轨道参数精度分析

利用误差传播关系,比较了测速体制下逐点定轨算法和多项式定轨算法的精度,为多项式和样条算法在测速定轨体制中的应用提供理论依据。利用逐点及多项式算法对两条典型轨道进行性能计算,结果表明:多项式算法能获得比逐点算法更高精度的轨道参数,且该算法数据结构简单、具有一定的实时性。     

天地基联合多星定轨及精度分析

数据中继卫星和双星定位系统通常由2或3颗地球同步卫星和数颗近地卫星组成,这些系统所提供的“星-星”测量数据提出了多星同时定轨的需求。文章介绍了已知天基星星历定轨和未知天基星星历定轨的主要差别,建立了距离和观测量的测量模型,描述了多星同时定轨的技术难点,分析了整个系统的定轨精度。     

环火星测量数据处理及精密轨道确定

为支持我国首次火星探测任务取得圆满成功,宇航动力学国家重点实验室将全自主开发的精密定轨平台系统,应用于环火星轨道确定中。为满足多对象、多弧段、多中心天体的定轨需求,平台系统设计了卫星结构、测站结构、观测结构和天体结构4大基础结构,并在4大基础结构之上,设计了灵活的弧段结构和估计结构。为验证平台系统是否具备环火星定轨能力,平台系统首先使用2020年上半年跟踪火星快车实验的数据对测量模型进行了检核,得到了理论测距和实测测距偏差（11m~21m）;其次,使用2009年实测双程测速和三程测速数据定轨,单独使用双程测速定轨,轨道与欧空局精密星历位置偏差最大不超过100m,测速残差的均方根（Root Mean Square, RMS）为0.0137(cm/s)。使用三程测速定轨,位置偏差不超过250m,三程测速RMS为0.0119（cm/s）;最后,使用两天三站测距仿真进行了自定轨验证,初轨和随机差都基本收敛回仿真初值。结果显示,宇航动力学国家重点实验室精密定轨系统能够满足我国首次火星探测任务的基本需求。     

“龙江2号”月球轨道微卫星定轨分析

微纳卫星深空探测任务中,通常所分配的测控资源有限,因此有必要对有限测控资源条件下微纳卫星的定轨精度进行分析。以微纳卫星深空探测为背景,采用"龙江2号"微卫星的轨道测量数据对其定轨精度进行了分析。"龙江2号"微卫星只有USB轨道测量数据,且环月段测控资源相对紧张,每天有两站跟踪,共约3～4 h的轨道测量数据。首先介绍了"龙江2号"微卫星飞行任务及其飞行过程中影响测定轨的因素;其次给出了定轨的动力学模型,对微卫星地月转移段的定轨精度进行了分析;最后通过分析摄动力、动量轮卸载以及数据弧段长度的影响,给出了微卫星环月阶段所使用的定轨策略,并通过重叠弧段比较的模式,给出了微卫星环月段的定轨精度。研究结论可以为后续微纳卫星深空探测任务提供有益参考。     

“嫦娥4号”中继星使命轨道段定轨计算与分析

"嫦娥4号"中继星是"嫦娥4号"探测器实现月球背面着陆与巡视的关键,目前正稳定运行在地-月L2点使命轨道上,该使命轨道为平均周期约14天的南族Halo轨道。因任务的需要,中继星本体系+Z轴需调整指向,处于正对太阳和非正对太阳两种状态。太阳光压在中继星+Z轴对日的情况下会加速卫星的角动量累积,增加卫星卸载喷气频次。基于中继星使命轨道段测控支持条件,采用重叠弧段法对两种状态下的中继星定轨精度进行分析与评估。结果表明,在中继星+Z轴非对日运行状态下,重叠弧段位置误差为1.6 km,速度误差为8 mm/s;在中继星+Z轴对日运行状态下,重叠弧段位置误差为0.6 km,速度误差为3 mm/s,这对中继星的长期运行具有重要参考价值。     

LEO空间碎片甚短弧角度数据初轨确定方法对比

光学观测是空间目标观测中最常见的一种观测方式。采用扫描模式工作时光学观测得到的观测弧段弧长通常很短,有时甚至不到被观测空间目标运行周期的1%,这样的角度数据被称为甚短弧角度数据。基于近圆LEO空间碎片地基实测场景,研究比较仅利用角度数据进行初始轨道确定常用方法的性能差异,分析观测弧长对不同初轨确定算法的定轨成功率和误差的影响,为初轨确定工作提供参考。对比分析了常用的几种方法,包括Laplace方法、Gauss方法、Gooding方法和近几年提出的距离搜索算法等。大规模实测数据处理结果显示,距离搜索算法的成功率高于90%,初轨半长轴统计误差仅为25 km。初轨结果表明,距离搜索算法定轨成功率高于其他算法。研究成果可为解决空间碎片初轨确定问题提供参考。     

重力梯度力矩作用下近地卫星自旋运动规律分析

为研究近地卫星自旋运动规律,建立了近地卫星在受摄动影响的轨道上运行并受重力梯度力矩作用下的姿态运动模型,推导了自旋角速率满足一定条件下自旋运动的进动角、章动角、自旋角的解析解,对重力梯度作用下的自旋姿态运动规律进行了仿真分析,并用仿真计算结果验证了解析解的正确性。在轨道面缓慢进动情况下,当卫星绕最大主惯量轴自旋时,给出了自旋角速率取值范围表达式,在该取值范围内卫星自旋运动能够跟随轨道面一起进动,自旋轴以恒定的平均角速率进动,章动角在小范围内波动。建立的自旋姿态运动模型和分析结论可用于近地卫星姿态失控后的姿态确定和预测、在轨姿态设计及在轨备份等。     

基于双频GPS观测的简化动力学最小二乘批处理精密定轨

星载双频GPS载波相位和伪距观测量已成为低轨卫星获取精确三维位置和速度信息的主要方式. 本文以非差消电离载波相位和伪距组合作为观测量,应用简化动力学最小二乘批处理方法进行地球低轨卫星的精密定轨,并给出完整定轨流程. 采用逐段常量的经验加速度对动力学模型误差进行补偿,描述了经验加速度敏感矩阵及稀疏带状矩阵求逆的有效计算方法. 利用GRACE-A卫星GPS观测数据对定轨位置精度进行分析,结果显示,三维位置定轨精度优于5cm,经验加速度在径向、切向和法向上的补偿水平不超过40nm·s^-2,大气阻力系数和辐射光压系数的估计值符合物理实际,星载接收机钟差大致呈线性并具有短周期小波动.     

基于COSMIC掩星精密定轨数据的等离子体层电子含量研究

等离子体层是日地环境重要的组成部分.本文利用COSMIC掩星精密定轨数据经处理后得到的podTec文件获取等离子体层电子含量（PEC）对等离子体层进行研究.将podTec数据进行处理后获得的PEC（pod-PEC）和IRI-Plas经验模型提供的PEC （IRI-PEC）进行对比,发现pod-PEC与IRI-PEC符合得较好.在低（0°—20°）、中（20°—50°）、高（50°—90°）修正地磁纬度带下,分析了COSMIC在太阳活动极大年（2014年）3,6,9和12月的pod-PEC,得到如下结论：PEC随着纬度升高而逐渐减少,且3,9月PEC在中低纬关于磁赤道的南北对称性较好,6月北半球各纬度带的PEC明显高于南半球同一纬度带的值,而12月情况则完全相反,南半球中纬的PEC甚至会等于北半球低纬的PEC值;PEC在白天高而晚上低,高纬地区的PEC昼夜变化不明显;PEC具有明显的季节性.对于北半球,一年中PEC最大值出现在春季,冬秋季次之,夏季最低,具有明显的年度异常现象.     

DPOD2005: An extension of ITRF2005 for Precise Orbit Determination

For Precise Orbit Determination of altimetry missions, we have computed a data set of DORIS station coordinates defined for specific time intervals called DPOD2005. This terrestrial reference set is an extension of ITRF2005. However, it includes all new DORIS stations and is more reliable, as we disregard stations with large velocity formal errors as they could contaminate POD computations in the near future. About 1/4 of the station coordinates need to be defined as they do not appear in the original ITRF2005 realization. These results were verified with available DORIS and GPS results, as the integrity of DPOD2005 is almost as critical as its accuracy. Besides station coordinates and velocities, we also provide additional information such as periods for which DORIS data should be disregarded for specific DORIS stations, and epochs of coordinate and velocity discontinuities (related to either geophysical events, equipment problem or human intervention). The DPOD model was tested for orbit determination for TOPEX/Poseidon (T/P), Jason-1 and Jason-2. Test results show DPOD2005 offers improvement over the original ITRF2005, improvement that rapidly and significantly increases after 2005. Improvement is also significant for the early T/P cycles indicating improved station velocities in the DPOD2005 model and a more complete station set. Following 2005 the radial accuracy and centering of the ITRF2005-original orbits rapidly degrades due to station loss.