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．     

定常基线卫星编队构形设计

采用动力学法研究了卫星编队的相对运动特性,根据星间相对基线的定义,仔细推导了星间相对基线与卫星编队构形参数之间的关系,并根据此关系定义了一种可以较好地反映星间相对基线运动稳定性的指标,即稳定度.在一个轨道周期内,分析了三种特殊卫星编队的最大水平基线和最大垂直基线在相同稳定度下的稳定时间.结果表明,这三种编队构形不能满足水平基线和垂直基线同时定常的要求.由此出发,重点研究了可以使星间相对基线定常的条件,并得出了相应的结论.水平基线定常的充要条件为三个约束关系式,垂直基线定常的充要条件为两个约束关系式.由此条件同时可知,两星编队无法满足水平基线和垂直基线同时定常的要求,因此,至少需要三星编队才可以达到此要求.最后,按照本文所得结论,设计了一个水平基线和垂直基线同时定常的三星编队.利用成熟软件对设计结果进行了分析,分析结果表明了本设计方法的正确性.      

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。     

星间测距对小卫星编队相对轨道状态的修正

相对轨道状态确定是小卫星编队正常工作的基础和重要保障.针对小型化、低成本的星载GPS接收机定轨精度较低的情况,提出一种利用单纯星间测距信息对卫星编队相对轨道进行修正的方法.引入星间测距信息,采用扩展卡尔曼滤波算法提高编队的相对轨道估计精度.通过仿真验证,证实了该方案的有效性.     

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。     

应用虚拟结构的卫星编队飞行自适应协同控制

针对卫星编队飞行协同控制存在质量、转动惯量不确定性及外部扰动的问题,提出了一种应用虚拟结构的卫星编队飞行自适应协同控制方法。首先,通过对虚拟结构模型的描述,建立了虚拟结构状态变量与编队卫星期望状态之间的表达式;其次,设计了编队卫星和虚拟结构的位置、姿态自适应协同控制器,通过在虚拟结构控制器中引入编队卫星的状态误差,实现了编队信息至虚拟结构的反馈,并采用Barbalat引理证明了闭环系统的稳定性和对有界扰动的抑制:最后,以三星编队协同轨道机动和空间指向性偏转为例对所设计的控制器进行了仿真验证。仿真结果表明:设计的控制器能够实现对编队卫星质量和转动惯量的自适应估计,使得编队卫星位置和姿态控制误差最终趋近于零,验证了所提方法的有效性。     

多点磁场协同探测反演电离层电流密度

相对于传统的单点磁场探测,多点磁场协同探测可以同时获得各测点磁场,消除探测磁场随时间的变化,能更好地计算空间电流密度.根据由多点磁场反演计算空间电流密度的计算方法,开展数值仿真,分析卫星编队数量、卫星编队构型、卫星定位偏差、卫星姿态测量误差、磁场测量误差、外部磁场强度及外部电流密度等对电流反演误差的影响.仿真结果表明,5星编队优于4星编队.在5星编队条件下,卫星姿态测量误差、卫星编队构型和外部磁场强度是反演误差的主要来源.根据仿真结果,当卫星姿态误差为0.001°,卫星编队尺度约为100km时,赤道区域电流密度的反演相对误差约为24%.      

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.     

基于卫星编队的空间碎片视觉高精度导航方法

视觉方法被广泛应用于空间碎片这类和卫星之间没有任何通信的非合作目标导航。针对观测过程中视觉传感器的像差偏差引起位置不确定的问题,提出了利用卫星编队的立体视觉导航方法。首先,利用卫星编队构造了长基线的视觉传感器,通过Fisher矩阵对系统的可观测性进行了分析,验证了系统是可观的;其次,对视觉传感器进行了误差分析,通过安排最优视差角,使多颗卫星的观测信息融合达到最优;最后,应用卫星编队的视觉导航方法对空间碎片进行了导航仿真验证。结果表明,基于卫星编队的视觉导航方法可以显著减小观测误差,精度能达到01m量级,而且编队构形简单,易于工程实现。     

皮纳卫星编队保持动力学分析

针对皮纳卫星在编队飞行中的控制精度要求已提高到微米甚至纳米级,文章研究了小推力作用下高精度的皮纳卫星编队构型保持问题,在考虑摄动影响下,推导维持编队构型需要的控制力与编队距离、编队空间方位等参数之间的关系,为皮纳卫星编队构型的设计提供理论指导;同时基于bang-bang控制理论,使用有限状态机设计了一种高精度的编队控制律。仿真表明,提出的控制方法不但可以使系统快速收敛,同时还能使皮纳卫星编队的星间控制精度达到1 μm,与滑模控制律相比较,精度提高近10³倍。     

基于最小PDOP准则的星间链路拓扑方案

星间链路是卫星导航系统实现自主运行的一项关键技术.研究了一种 Walker(24/3/2) 星座,通过对卫星间可见性以及星间链路相关约束条件的分析,计算并确定了同轨卫星的A,B类排列方案,探索了建立位置精度因子(PDOP,Position Dilution Of Precision)值最小,即测距精度最高的星间链路拓扑结构的方法,并在此基础上利用Dijkstra算法计算出卫星之间以及卫星与地面站之间的最优路径.通过对星间数据传输时间延迟和星座网络卫星节点数据流量的统计,表明这种链路生成方案切实可行,能够满足预先设定的技术指标要求.同时对最短路径、最小跳数和网络流量均衡3种不同的计算策略进行了仿真,验证了这3种策略所造成的结果差异.      

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。     

星载InSAR空间基线指向优化与设计

分布式卫星SAR系统是近年来受到广泛重视的一种新的雷达成像手段,其中分布式InSAR充分利用编队星座卫星间构成的空间基线进行干涉测高,从而实现立体成像.在InSAR系统设计中,解决好编队星座的设计问题是实现高性能成像的前提和保证,合理的星座构形设计有助于提高测高精度,从而获得高品质的雷达成像效果.从InSAR测高精度分析结果入手,由飞行力学角度阐述星间相对运动对测高精度产生的影响,并基于分析结果给出了一种有别于现有星座的特色编队构形,并对其性能进行了初步分析.      

编队卫星空间状态参数估计量对ATI测速精度影响

基于对影响沿航向干涉(ATI)测速精度的特征量分析,建立了卫星空间状态参数估计量与ATI测速精度特征量,特征量与测速的关联数学模型。仿真给出了不同场景设置下的特征量精度、误差传播矩阵和测量误差传递关系的精度影响因子,以及最终空间状态参数估计量对测速精度的影响。     

一种基于时间-矢量模型的InSAR测高分析方法

针对编队飞行InSAR卫星系统状态参数所具有的"时变性"、"立体性"特征,提出了一种基于时间—矢量分析的InSAR测高模型,开发了计算仿真程序。对单个飞行周期内地面目标的绝对高程精度与系统状态参数之间的关系进行了详细分析。由于地面绝对高程信息重建基于矢量分析,提出了使用矩阵表示系统状态参数误差传播系数的分析方法,分析揭示出随着编队飞行卫星轨道构形的不断变化所导致的绝对高程精度的变化规律。分析结果为系统关键技术分解提供了理论依据。     

卫星编队飞行的相对轨道自主确定研究

为了研究卫星编队飞行相对轨道的自主确定,基于相对轨道根数建立编队卫星间的相对运动方程,利用测量所得到的星间距离和方位信息作为观测量。不同于目前广泛采用的扩展卡尔曼滤波算法,设计Unscented Kalman Filter(UKF)算法实现卫星编队飞行的相对轨道自主确定。仿真结果表明这种相对轨道自主确定方案能获得较高的定轨精度。     

重力卫星星间高精度测距技术研究

卫卫跟踪(SST)技术是当前地球重力场测量最有价值和应用前景的方法之一.高精度星间测距系统是低低卫卫跟踪(SST-ll)重力卫星的关键有效载荷.GRACE卫星携带的K波段测距系统(KBR K Band Ranging System)是一微米量级的测距系统,通过处理高精度的星间距离和距离变化率数据,可以恢复出地球重力场.GRACE后续计划又提出了一种更高精度的激光干涉测距系统.在研究KBR及激光干涉测距系统测量原理的基础上,提出了一种KBR系统的基本结构,详细分析了两种测距系统的关键技术及国内目前的研究水平,提出了我国开展星间测距系统研究的一些建议.      

Characteristics and accuracies of the GRACE inter-satellite pointing

For almost 10 years, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) has provided information about the Earth gravity field with unprecedented accuracy. Efforts are ongoing to approach the GRACE baseline accuracy as there still remains an order of magnitude between the present error level of the gravity field solutions and the GRACE baseline. At the current level of accuracy, thorough investigation of sensor related effects is necessary as they are one of the potential contributors to the error budget. In the science mode operations, the twin satellites are kept precisely pointed with their KBR antennas towards each other. It is the task of the onboard attitude and orbit control system (AOCS) to keep the satellites in the required formation. We analyzed long time series of the inter-satellite pointing variations as they reflect the AOCS performance and characteristics. We present significant systematic effects in the inter-satellite pointing and discuss their possible sources. Prominent features are especially related to the magnetic torquer characteristics, star cameras’ performance and KBR antenna calibration parameters. The relation between the magnetic torquer attitude control and the Earth magnetic field, impact of the different performance of the two star camera heads on the attitude control and the features due to uncertainties in the calibration parameters relating the star camera frame to K-frame are discussed in detail. Proper understanding of these effects will help to reduce their impact on the science data and subsequently increase the accuracy of the gravity field solutions. Moreover, understanding the complexity of the onboard system is essential not only for increasing the accuracy of the GRACE data but also for the development of the future gravity field satellite missions.     

超精密微牛级微波离子推进技术及其在卫星超精度控制中的应用研究

空间技术的快速发展使得利用空间卫星的编队飞行构建大型空间星座成为可能,在引力波探测、射电望远镜编队、星座组网等任务方面具有重要作用。超精度控制是实现卫星高精度编队飞行的关键技术。推进系统是实现卫星编队长期高度稳定飞行的保证,从而实现内部科学装置的正确运行。不同于常规的推进系统,卫星精密编队超精度控制对推进系统的推力可调范围、分辨率、响应时间、推力的一致性等有着极高的要求。根据卫星精密编队任务需求,对微牛级推进系统的功能及技术要求进行了分析,提出了基于M2微波离子推力器的卫星超精度控制推进系统。阐述了M2超精密微牛级推进系统的关键技术和研究进展,为后续M2推力器在无拖曳控制方面的应用奠定了基础。