卫星轨道变化规律的综合分析

对于航天工程而言,无论是航天器的发射,卫星轨道设计,地面测控系统的跟踪、定轨和预报．还是卫星在轨运行过程中的轨道控制策略等,均需了解卫星轨道变化的规律。为此,本文对人造卫星(包括中心天体为快自转天体和慢自转天体两种引力源的绕飞轨道器)的轨道变化特征以及轨道寿命进行系统的综合分析。为各种应用提供简明信息。     

深空探测器运行轨道的基本性态

要成功地发射一个深空探测器进入目标轨道,相应的运行过程基本上涉及3个阶段:近地停泊轨道运行段、转移轨道的过渡段和进入目标天体的绕飞段。它们各自的运行状态和相应的数学模型有所差别,特别是转移轨道段的运行特征与绕飞段的卫星轨道的典型特征之间的重大差别,在深空探测任务中受到广泛的重视,如平动点利用中的晕(Halo)轨道和引力加速的节能过渡等。然而,就太阳系而言,这些不同轨道之间有一共同的基本性态,那就是都可以用在牛顿万有引力定律制约下的开普勒轨道(或变化的开普勒轨道)来刻画。本文将针对上述不同运行段轨道对应的数学模型、研究方法和结果,结合我们所做的工作进行综述。     

Precise orbit determination of high-earth elliptical orbiters usingdifferenced Doppler and ranging measurements

Recent advances in NASA's Deep Space Network station calibration methods have led to renewed interest in the use of differenced radio metric data types for interplanetary navigation, particularly differenced Doppler and range. An orbit determination error analysis is described which compares the performance of these differenced data types when used in concert with conventional two-way Doppler for precise navigation for high-earth orbiters. Three highly elliptical orbits were investigated, with apogee heights on the order of 20000, 70000, and 156000 km. The analysis assumes that each orbiter's downlink antennas has no ground footprint limitation in the near apogee regime. Results indicate that the most significant navigational accuracy improvements are seen for the lowest altitude orbit by using differenced Doppler measurements in conjunction with two-way Doppler. The results for the two higher-altitude orbits, although less dramatic, suggest accuracy improvements can also be achieved when differenced range measurements are combined with two-way Doppler     

一种有效提高超大偏心率轨道初轨确定精度的新方法

针对某型号航天器的运行轨道偏心率大、轨控结束后可用于初轨确定的测轨数据少的特点,提出了一种能有效提高超大偏心率短弧段初轨确定精度的新方法。该新方法将轨道改进的思想融入初轨计算方法中,使之既适用于各种偏心率轨道的初轨计算,也适用于各种偏心率轨道的长弧段、多圈、多站数据的轨道改进;解决了传统初轨确定方法超大偏心率轨道短弧段初轨确定误差偏大的问题。通过任务实测数据的检验,新方法适用于各种偏心率轨道,并且超大偏心率轨道的初轨确定精度明显优于传统方法。     

卫星定轨综述

对卫星定轨中的热点问题作一综述,内容包括短弧定轨和长弧精密定轨。对于短弧定轨(通常指初轨),不仅从原理上分析其关键之处,还介绍如何将适用于无摄运动的特殊定轨方法推广用于同时考虑各种摄动的受摄运动,并可同时适用于圆锥曲线的各种情况：变化的椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道,后者在深空探测器的运动过程中将会遇到。对于长弧精密定轨,阐述当今提高精密定轨精度的力模型补偿问题以及几何定轨的提法,天地基网联合定轨和星-星相对测量的自主定轨问题。     

Orbit Determination Accuracies Using Satellite-to-Satellite Tracking

The results are reported of the ATS-6/GEOS-3 and the ATS-6 NIMBUS-6 satellite-to-satellite orbit determination experiments. NASA intends to use the tracking data relay satellite system for operational orbit determination of NASA satellites. Hence, in the near future, satellite-to-satellite tracking data will be routinely processed to obtain orbits. The satellite-to-satellite tracking system used in the ATS-6/NIMBUS-6 and ATS-6/GEOS-3 experiments performed with a resolution of 1 to 2 m in range and less than 1 mm/s in range rate for a 10-s averaging. A Bayesian least squares estimation technique utilizing independent ranging to the synchronous relay satellite was determined to be the most effective procedure for estimating orbits from satellite-to-satellite tracking data. The use of this technique yields estimates of user satellite orbits which are comparable in accuracy to what is usually obtained from ground based systems.     

小卫星星座自主定轨的论证与仿真

在建立星座自主定轨条件方程的基础上,对其求解的可行性进行了分析、论证和仿真计算。结果表明：在仅考虑一阶摄动理论的情况下,升交点赤经总是秩亏的,即使考虑更精密的摄动模型,其条件方程也近似病态。其它根数在很多情况下也有相关性。因此,为了最大限度地满足自主定轨的要求,在星座结构设计时应尽量考虑不同类型轨道的卫星。     

月球卫星精密定轨

随着空间应用需求的日益增大,深空探测已成为现实,而月球显然是人类走向深空的首选目标。发射月球探测器通常分3个阶段,其运动状态分别对应3种不同类型的轨道:近地停泊轨道、地月转移轨道和绕月轨道。月球是1个慢自转天体且无大气,就轨道解而言这些因素导致环月卫星的运动与地球卫星有所差别。本文针对月球探测任务的特点,从月球与地球的差别入手,在仔细分析月球卫星的受力状况前提下,着重阐述月球探测器在环月段精密定轨的方法原理和具体实现过程。     

小卫星编队飞行的相对运动学方程研究

以运动学方法为基础研究了编队卫星相对运动的一种更直接方法，利用不同天体力学特性，将相对位置和速度与相对轨道参数建立了联系，首先，详细推导了以运动学方法为基础的相对运动方程，据此可直接得出环绕卫星的轨道根数，其次，为有利于相对轨道分析和设计，对相对运动方程进行了简化，最后，通过例子验证了该方法的正确性，仿真结果表明该方法是有效可行的。     

Inter-satellite link augmented BeiDou-3 orbit determination for precise point positioning

Precise Point Positioning(PPP) requires precise products, including high-accuracy satellite orbit and clock parameters. It is impossible to obtain an orbit solution that is sufficiently accurate for PPP services with a regional tracking network; therefore, satellite orbits are usually estimated by a global tracking network with a large number of ground stations. However, it is expensive to build globally distributed stations. Fortunately, BeiDou-3 satellites carry an InterSatellite Link(ISL) pay...     

基于地月三角平动点的卫星自主定轨

近年提出了利用地月系平动点建立深空导航星座的设想。在受太阳摄动的真实力模型下,地月系平动点是不稳定的,从而会导致导航星座必须通过控制才能定点在特定区域。针对此问题,引入一种特殊的平动点轨道,即动力学替代轨道。平动点轨道卫星星座可利用星间测距数据自主定轨,由于动力学替代轨道具有长期稳定性,整个自主定轨过程不需要来自地面的测控支持,且定轨精度可达到观测精度。研究结果表明,观测资料的长短、导航卫星垂直白道面的运动分量都将影响到导航星间的自主定轨精度。该研究成果可以应用在以后的地月系导航星座中。     

绕飞慢自旋小天体的航天器运动分析

针对可以用三轴椭球体近似建模的小天体,给出了非球形引力势函数,建立了航天器绕飞小天体的轨道动力学方程。利用Jacobi积分常数绘制了探测器在小天体周围的零速度曲线,并分析了探测器的可能运动区域,给出了航天器不碰撞小天体的边界条件。针对绕飞慢自旋小天体的情况,基于平均轨道根数的近似解分析了小天体扁率和椭率的摄动影响,并给出了几条冻结轨道及其稳定条件。     

火箭助推器对雷达观测的影响研究

针对运载火箭二级助推器及分离时产生的大的碎片对雷达观测可能造成的影响,阐述了雷达成像重叠轨道(ROIO)的概念,并就雷达处于火箭载荷轨道平面内的情况分析了ROIO的存在条件、确定方法和观测中火箭载荷轨道及其ROIO上所对应的位置相对于雷达的角度差.仿真结果表明,目标轨道的观测范围及雷达相对于该观测范围的距离决定了ROIO的确定.     

低轨卫星对高轨卫星仅测角初轨计算方法

针对我国地面测站对高轨卫星监视能力缺乏的问题,提出一种低轨卫星对高轨卫星仅测角初轨计算方法。该算法引入天基跟踪坐标系,消除测距信息影响,建立仅测角观测方程;引入法向运动,增加摄动因素影响,建立扩展拉普拉斯动力学模型;推导分析观测模型和动力学模型的关系方程,将初轨计算问题转换为非线性方程求解问题,利用高斯全主元消去法完成方程求解。通过实战和仿真测角数据对方法进行检验,结果表明,该方法能利用仅测角数据对非合作目标进行初轨确定,精度在公里量级,可为我国地基监视系统提供补充参考。     

I: PRECISE ORBIT DETERMINATION AND GRAVITY FIELD MODELLING: Strategies for Precise Orbit Determination of Low Earth Orbiters Using the GPS

Considerable experience accumulated during the past decade in strategies for processing GPS data from ground-based geodetic receivers. First experience on the use of GPS observations from spaceborne receivers for orbit determination of satellites on low altitude orbits was gained with the launch of TOPEX/POSEIDON ten years ago. The launch of the CHAMP satellite in July 2000 stimulated a number of activities worldwide on improving the strategies and algorithms for orbit determination for Low Earth Orbiters (LEOs) using the GPS. Similar strategies as for ground-based receivers are applied to data from spaceborne GPS receivers to determine high precision orbits. Zero- and double-differencing techniques are applied to obtain kinematic and/or reduced-dynamic orbits with an accuracy which is today at the decimeter level. Further developments in modeling and processing strategies will continuously improve the quality of GPS-derived LEO orbits in the near future. A significant improvement can be expected from fixing double-difference phase ambiguities to integer numbers. Particular studies focus on the impact of a combined processing of LEO and GPS orbits on the quality of orbits and the reference frame realization. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

Group-Complementary Array Coding for Radar Clutter Rejection

A radar waveform design technique which utilizes Lagrange's method of multipliers to control temporal sidelobes and to reduce Doppler sidelobes is described. This classical method of constrained optimization is applied to the problem of synthesizing a radar wave-form where mismatch loss is the objective function to be minimized. The associated constraints are taken from expressions for the composite temporal sidelobes of the cross-correlation response and the peak correlation response where sets of code words are used to modulate a series of radar pulses. The resulting code sets and receiver reference sets are called group-complementary and produce a trench parallel to or on the range axis of the cross-ambiguity surface.     

基于双星系统的卫星几何学精密定轨方法研究

双星导航系统的建立，为我国实现自主的卫星天基测控技术提供了可能。同时由于其全天候、全天时、相对定轨精度高等特点可望成为一种低、中轨卫星精密定轨的有效手段。但由于双星系统中静止卫星数目仅有两颗，要得到低、中轨卫星的三维定位信息，还需要额外的第三维观测量。本文根据双星系统的现状，结合国内对低、中轨卫星精密定轨的要求，提出了一种基于双星系统的卫星几何学精密定轨的方法，概述了其基本原理及其组成，给出了卫星定轨的方法和数学模型，同时根据数据仿真分析了该定轨系统的定轨精度，为下一步工程实现提供了理论基础。     

航天器多普勒测速平均误差的分析与修正

对航天器多普勒测速平均误差进行了分析,详细推导了圆轨道和椭圆轨道时该误差的计算公式,计算了不同采样周期和轨道高度时的误差大小。经过分析指出,该项误差对于高轨航天器影响较小,对于低轨航天器可以通过缩短采样周期或利用3个点或多个点的连续测量数据进行修正。     

相对测量在编队卫星自主定轨中的应用

针对编队卫星自主定轨问题进行了研究,设计了一种完全不依赖于地面站和GPS系统的自主导航方案。利用星间测量信息进行卫星编队相对轨道状态的自主确定;并在利用磁强计进行卫星绝对轨道自主确定的基础上,引入星间测量信息提高绝对定轨精度;设计扩展卡尔曼滤波器进行卫星编队轨道状态估计,数学仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。     

卫星轨道误差的相关性

卫星的轨道误差是卫星测控中需加以约定的重要指标之一,其常用的表示方法主要有Kepler轨道根数形式和RTN投影形式。本文推导了RTN形式的卫星位置、速度误差与Kepler根数误差间的关系,给出了近圆轨道中RTN形式位置、速度误差间的定量关系,分析了RTN形式位置误差约束下Kepler根数误差的相关性,并分别给出了验证算例。该结果可用于分析确定卫星轨道误差指标,使其彼此匹配。