地球静止轨道卫星电推进位保策略研究

研究了利用电推进系统进行GEO卫星轨道保持问题,给出了一种基于日预报的位置保持策略。首先,根据GEO卫星轨道漂移规律,分析了小推力推进系统每日进行位保的可行性;然后,针对四电推力器配置构型,给出了每日轨道误差、各推力器工作时间与区间的预测方法;进一步,针对给定的定点位置,根据位保效果对电推进安装角进行了优化选择,并研究了推力变化对位保效果和燃料消耗的影响。以东经100°定点为例对所给方法进行了仿真验证,数值结果表明:所给策略可有效用于GEO卫星位置保持。     

Near real-time BDS GEO satellite orbit determination and maneuver analysis with reversed point positioning

The Geostationary Earth Orbit (GEO) satellite is a crucial part of the BeiDou Navigation Satellite System (BDS) constellation. However, due to various perturbation forces acting on the GEO satellite, it drifts gradually over time. Thus, frequent orbit maneuvers are required to maintain the satellite at its designed position. During the orbit maneuver and recovery periods, the orbit quality of the maneuvered satellite computed with broadcast navigation ephemeris will be significantly degraded. Furthermore, the conventional dynamic Precise Orbit Determination (POD) approach may not work well, because of a lack of publicly available satellite information for modeling the thrust forces. In this paper, a near real-time approach free of thrust forces modeling is proposed for BDS GEO satellite orbit determination and maneuver analysis based on the Reversed Point Positioning (RPP). First, the station coordinates and receiver clock offsets are estimated by GPS/BDS combined Single Point Positioning (SPP) with single-frequency phase-smoothed pseudorange observations. Then, with the fixed station coordinates and receiver clock offsets, the RPP method can be conducted to determine the GEO satellite orbits. When no orbit maneuvers occur, the proposed method can obtain orbit accuracies of 0.92, 2.74, and 8.30?m in the radial, along-track, and cross-track directions, respectively. The average orbit-only Signal-In-Space Range Error (SISRE) is 1.23?m, which is slightly poorer than that of the broadcast navigation ephemeris. Using four days of GEO maneuvered datasets, it is further demonstrated that the derived orbits can be employed to characterize the behaviors of GEO satellite maneuvers, such as the time span of the maneuver as well as the satellite thrusting accelerations. These results prove the efficiency of the proposed method for near real-time GEO satellite orbit determination during maneuvers.     

小卫星三轴稳定模式下的有限推力轨道转移

由搭载方式发射的小卫星,通常需要变轨才能进入自己的工作轨道。这种变轨一般由小推力发动机执行,传统的冲量变轨方法存在较大局限性。文章研究了在小推力作用下,小卫星由椭圆停泊轨道进入共面圆工作轨道的点火信息求解方法;给出对地定向三轴稳定模式下和俯仰角偏置三轴稳定模式下的变轨控制仿真结果;提供了对任务设计有参考价值的结论。     

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。     

在轨地球同步卫星轨道控制参数计算及工程实现

在轨地球同步卫星轨道控制包括东西、南北控制和位置漂移三个部分.分别针对这三种情况,从工程实用角度出发,给出了选择目标参数方法、控制参数计算公式和具体实施策略.以自旋卫星为例,分析了控制效率,提出了一种新的东西控制参数计算方法,在给定控制精度下,大大简化了算法的复杂性.以1904年9月FY-2B星一系列控制为例,详细介绍了它们在经度漂移、南北控制、刹车控制和定点捕获等方面的具体应用和实现效果,理想的控制效果表明了上述算法和实施策略的正确性.     

对空间碎片近距随遇悬停的控制方法及悬停燃耗分析

对空间碎片检视或抓捕操控中的悬停控制及燃耗问题进行了研究。通过C-W方程,建立任务星近距随遇定点悬停控制模型,通过设计状态反馈控制器分析定点悬停的可控性以及推控要求,结果表明近距悬停需要与悬停位置相关的两个正交方向上的常值连续推力控制量,以及用于抵抗扰动的三轴向上的反馈变推力控制量。分析了近距随遇悬停的推控分系统配置,建立了长时近距随遇悬停的燃耗及燃耗速率的数学模型,最后分析了既满足安全距离需求、又满足悬停方位需求的最小悬停燃耗模型。     

GEO卫星快速发射入轨定点控制方法

提出了一种GEO卫星快速发射入轨定点方法,运载火箭将卫星发射进入GTO轨道后,由上面级或卫星自身在48h内快速定点到GEO轨道任意指定定点位置。考虑时间、测控等约束,在选定变轨策略基础上,以燃料消耗最小为目标,优化给出了快速入轨定点标称轨迹。采用无奇异的春分点根数描述轨道运动,基于最小二乘法给出了航天器在有限推力条件下变轨的闭环显式制导方法,控制航天器沿标称轨迹飞行。仿真算例表明,采用该变轨策略、轨道优化设计方法和制导律,可以完成GEO卫星快速入轨定点控制。     

基于电推力器进行南北位置保持的一种地球同步轨道注入参数方法

摘要： 电推力器在静止轨道卫星上应用越来越广泛,特别是基于电推力器进行南北位置保持,可以有效节省推进剂.提出改进的GPS星历参数解析算法,在此基础上考虑包含电推力模型在内多摄动项模型进行地面精密轨道计算,采用微分修正法,提出一种地球同步轨道注入参数方法,该方法可应用于星上自主完成基于电推力器的南北位置保持.仿真算例表明使用该方法得到的轨道注入参数,卫星能够在保证姿态确定精度的同时,完成南北位置保持任务.     

基于冲量变轨原理的地球同步卫星有限推力变轨策略

  推力有限时,地球同步轨道卫星在远地点变轨的弧段很长,会导致较多的燃料消耗。基于冲量变轨原理,研究了地球同步轨道卫星远地点有限推力多次变轨问题,提出了具有星下点约束的最省燃料变轨方案,给出了每次变轨的推力方向和点火起止时刻及最优中间过渡轨道。仿真结果验证了该方案的有效性。     

圆及椭圆轨道释放绳系子星的方法研究

研究绳系卫星系统质心沿椭圆轨道运动时,子星释放的最佳初始条件,运用变量替代简化动力学控制方程;对圆轨道运动的母星,采用轨道转移方法释放子星,计算弹射变轨参数及过渡轨道终了真近点角.本文取消母星质量远大于子星质量的假设,考虑子星释放过程中绳系卫星系统质心随子星运动的变化,所得结果更具有普遍意义.数值模拟结果表明,所述方法的有效性.     

全方向长期伴飞卫星集群轨道设计与仿真

主要研究在J2摄动的影响下,在中心卫星周围全方向上部署长期相对有界伴飞卫星的轨道设计方法。首先,利用J2不变的条件,由已知中心卫星轨道根数建立伴飞卫星的半长轴、偏心率及轨道倾角之间关系。然后,通过对伴飞卫星和中心卫星之间初始相对位置及轨道根数之间关系的分析,得到伴飞卫星的全部初始轨道根数,使其能够部署到中心卫星周围的任意方向上,从而能实现卫星集群在中心卫星的周围全方向长期有界伴飞。最后,通过轨道仿真验证了该方法的有效性。     

静止卫星倾角控制的最优策略

本文以倾角矢量作为无奇点轨道要素,建立静止卫星轨道倾角控制的工程实用数学模型,进而导出南北定点捕获和南北位置保持两种情况下统一的倾角控制燃料最优策略。本文结果适用于南北位置保持精度为0.05°至0.1°的任务,并且已经应用于我国实用通信广播卫星的飞行控制。     

地球静止卫星电推进轨道保持策略优化

针对电推力器控制弧段长、传统轨道保持计算常用的脉冲假设不能适用的问题,提出了静止卫星轨道保持的平运动动力学模型和长期控制策略优化方法。由于轨道保持控制的是平均轨道要素,文章提出了一种基于春分点轨道要素的高精度平根外推动力学模型,与STK-HPOP模型比对高度吻合;提出了综合考虑轨道东西和南北控制的耦合控制优化模型,设计了基于序列二次规划的优化求解方法。仿真算例中研究了二推力器配置的静止卫星4周轨道保持问题,仿真结果表明,该方法可以优化长期轨道保持控制策略。     

对地观测卫星固定波束数据传输天线覆盖特性研究

从卫星系统设计入手,利用J2轨道模型及星地空间几何关系研究了太阳同步、近极圆轨道、三轴稳定对地观测卫星的星地数传无线链路,得到了在地面站作用范围内均衡接收的波束分布特性。研究结果表明卫星进、出地面站的周向分布是不均匀的,沿卫星飞行方向进、出地面站概率最大,而垂直于卫星速度方向,卫星进、出地面站概率最低;并分析了波导十字缝阵组合天线的覆盖特性。     

基于移动站的转发式地面站设备时延标校方法

在转发式卫星测定轨系统中,基于伪码测距原理的星地距离测量是实现卫星精密定轨和高精度时间比对的基础。为获得高精度的星地距离,需要将地面站设备时延从伪码测距值中精确扣除。在转发式卫星测轨原理的基础上,提出了基于移动站的转发式地面站设备时延标校方法,实现了对转发式地面站设备时延的标校,标校精度能够优于0.5ns,对提高转发式卫星定轨精度和卫星双向时间比对精度具有重要作用。     

含无质量系绳的卫星系统平面运动和常规动力学

研究绳系卫星系统在同一轨道平面内运动,由于星-母星之间相对位置向量描述,亦即由该向量的长度变化和方位角的变化而决定.在引入距离速率控制算法之后,系统的动力学主要由方位角运动而定.当母星轨道为圆形时,系统运动状态具有极限点,而在椭圆轨道下则有极限环.采用了非线性动态系统的方法和技术来计算极限状态和分析它们的稳定特性.用本文中方法对TSS-1以及其他绳系卫星系统方案作了数值模拟.     

Geostationary orbit determination using SATRE

A new strategy of precise orbit determination (POD) for GEO (Geostationary Earth Orbit) satellite using SATRE (SAtellite Time and Ranging Equipment) is presented. Two observation modes are proposed and different channels of the same instruments are used to construct different observation modes, one mode receiving time signals from their own station and the other mode receiving time signals from each other for two stations called pairs of combined observations. Using data from such a tracking network in China, the results for both modes are compared. The precise orbit determination for the Sino-1 satellite using the data from 6 June 2005 to 13 June 2005 has been carried out in this work. The RMS (Root-Mean-Square) of observing residuals for 3-day solutions with the former mode is better than 9.1 cm. The RMS of observing residuals for 3-day solutions with the latter mode is better than 4.8 cm, much better than the former mode. Orbital overlapping (3-day orbit solution with 1-day orbit overlap) tests show that the RMS of the orbit difference for the former mode is 0.16 m in the radial direction, 0.53 m in the along-track direction, 0.97 m in the cross-track direction and 1.12 m in the 3-dimension position and the RMS of the orbit difference for the latter mode is 0.36 m in the radial direction, 0.89 m in the along-track direction, 1.18 m in the cross-track direction and 1.52 m in the 3-dimension position, almost the same as the former mode. All the experiments indicate that a meter-level accuracy of orbit determination for geostationary satellite is achievable.     

地球静止轨道混合推进三星库仑编队队形保持控制研究

研究了地球静止轨道处混合推进三星库仑编队队形保持控制问题.首先考虑未知有界相对摄动影响,建立了地球静止轨道处混合推进三星库仑编队动力学方程.然后基于相对运动解析解,设计了投影圆轨道旋转编队构型.最后采用滑模控制方法,设计了控制器并证明其稳定性,用饱和函数对控制器进行了改进,消除了抖振的影响.通过控制编队内部静电力和补充...     

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。     

一种双基站低轨道区域覆盖δ星座设计

在双基站理论研究基础上 ,进行了定倾角区域性覆盖双基站δ星座设计 ,采用倾角为 41°的回归轨道 ,用点覆盖数值仿真的方法设计了对地面站与空间站的一重覆盖与二重覆盖下的星座构型。且星座中各星之间 ,各星与空间站之间均可建立星际链路 ,保证数据在空间站、地面站及星座之间连续传递