基于中继测量的环月探测器定轨能力分析

嫦娥四号月球探测拟首次实现月球背面的软着陆,测控与数传依赖地月L2平动点的中继卫星,并有望获取四程测量与星间测量数据。对基于中继测量的环月探测器测定轨能力进行了仿真分析,结果表明,中继卫星可较好地实现环月探测器连续跟踪;在定轨能力方面,中继卫星自身轨道精度是制约环月探测器定轨精度的重要因素,当跟踪弧段达到5h以上时,定轨精度趋于稳定,但轨道精度较中继卫星的轨道精度相差1个量级;对于星间链路测量,除中继卫星自身的轨道精度外,星钟的稳定性是制约定轨精度的另一个重要因素,如果辅助以每天1h的地基跟踪亦可实现优于百m的定轨精度。     

CE-2小行星探测试验轨道快速重建研究

"嫦娥二号"实施小行星探测试验,与小行星交会时卫星距离地球约700万km,此飞行阶段卫星定轨计算精度非常依赖于测轨数据的弧长。卫星最后两次轨道修正只有13天时间,而实现小行星拍照试验指标要求轨道精度优于15km。如何利用有限的测轨数据实现高精度定轨是小行星探测试验必须解决的重要问题。针对控后跟踪弧段有限的特点,以10月9日控后飞行阶段为分析对象,设计了不同的定轨策略,并比较定轨计算的精度。计算结果表明,融合轨控前后的测轨数据开展定轨计算,可以有效提升定轨计算精度。利用控前1个月和控后10天的测轨数据进行定轨计算与控后6周数据定轨计算精度相当。     

USB与VLBI联合确定“探测一号”卫星轨道

我国绕月探测工程“嫦娥一号”卫星将以统一S波段(USB)为主,辅以甚长基线干涉仪(VLB I)测轨分系统来完成测控任务。由于“探测一号”卫星轨道与“嫦娥一号”调相轨道段相似,有关单位于2005年3月17日—20日进行了USB和VLB I联合跟踪“探测一号”试验。通过对联合测轨数据的处理,研究了USB—VLB I联合定轨方法,分析了联合定轨和预报精度,得出了一些结论。     

月球重力场模型精度比较研究

从阶方差、谱域分析以及大地水准面自由空气重力异常3个方面分析了月球重力场模型LP150Q,LP165P与SGM150各自的特点及差异,研究结果表明,SGM150重力场在中高阶项上得到了明显改善,在远月面可以发现明显的重力异常正负交替的现象。另外,对"嫦娥二号"变轨试验期间的测轨数据进行了轨道解算和预报,比较不同重力场模型的精度影响,发现基于SGM150模型的解算结果优于基于LP150Q和LP165P的,在定轨弧段内有10m量级的精度提升,可用于高精度的月球探测器精密定轨。     

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。     

测控设备误差对奔月轨道探测器定轨精度的影响

随着我国航天事业的发展，登月探测器的研究日益显得重要。本文主要探讨奔月探测器在停泊轨道、转移轨道运行中，地面测控设备的误差对探测器各重要弧段定轨精度的影响。得出当仅使用USB设备时，定轨位置误差随设备误差基本成等量级变化；加入测角设备时，设备误差变化时，位置误差基本没有变化，可使用奔月轨道定轨最大位置误差达到10m。     

低轨航天器长期轨道预报的初步研究

低轨航天器的长期管理和维护需要较高精度的长期轨道预报,影响长期预报精度最主要的因素来自低轨航天器所受的大气阻力摄动.借助平均大气密度模型,以340 km高度的低轨航天器为例,研究了低轨长期轨道预报问题.利用基于长弧段的逐天精密定轨,可以修正参考点的平均密度.根据目前积累的数据,通过引入太阳自转周期27 d和半年180 d这2个周期拟合平均密度序列,未来的平均密度可以预报到较高精度.目前的计算结果表明,在此基础上低轨航天器的长期轨道预报精度可以得到保证,在不同算例中表现基本稳定可靠.     

三向测量模式在嫦娥三号探测器中的应用

以嫦娥三号探测器的三向测量跟踪数据为依据,利用最小二乘方法分析站间钟差,在5阶拟合计算中实现了ns级的拟合精度;然后使用探测器精密星历对三向测轨数据进行标校,经过修正后的测距系统差达到10m量级,拟合噪声水平优于1m;最后将三向测量数据应用于探测器的定轨、着陆点定位和动力下降段的弹道计算,其中环月段100km×15km轨道计算结果与精密定轨相比较偏差百m级,120km×70km轨道计算结果与精密定轨相比较偏差10m量级,月面定位与双程测距加时延定位结果相比较偏差10m量级。     

影响环月飞行器定轨精度的误差源分析

以我国正在实施的探月计划“嫦娥1号”工程为背案,在现有测控网分布、观测弧段以及尽可能接近真实情况的误差源等前提下,利用仿真模拟的方法对影响环月飞行器定轨精度的误差源进行了初步探讨和分析。重点考察了月球重力场误差、观测量精度、初始时刻的先验轨道误差以及观测资料类型等对环月飞行器定轨精度的影响。     

月球重力场模型误差对CE-5T1探测器定轨的影响

利用嫦娥五号再入返回飞行试验拓展任务期间获取的探测器(CE-5T1)实测数据,采用内符合方法比较了3种重力场模型的实测数据定轨结果,发现采用GRAIL(Gravity Recovery And Interior Laboratory,重力恢复与内部实验室)重力场模型进行定轨的结果最优。相比于之前的嫦娥系列探测器定轨常用的LP(Lunar Prospector,月球勘探者)重力场模型,采用GRAIL重力场模型定轨后测距数据的残差降低了1个量级。进一步采用不同重力场模型进行轨道外推,定量分析重力场模型对不同类型轨道的影响,结果表明,对于倾角为90°的环月极轨道,不同重力场模型的轨道外推结果差异较小;而对于倾角为20°和40°的环月轨道,不同重力场模型的外推星历的偏差均方根可达到2km,大于当前环月探测器的定轨精度。为此,建议在后续探月任务中使用GRAIL重力场模型进行轨道确定。     

嫦娥三号着陆器统计定位精度分析

“嫦娥三号”将在月球放置着陆器,实现月面软着陆,因此,需要对着陆器进行精确定位.本文简述了月球着陆器的统计定位方法与协方差分析理论,分析了影响统计定位精度的主要误差源.基于现有测控条件,从跟踪弧段和测量数据组合2个方面,对“嫦娥三号”着陆器的定位精度进行了分析.针对短弧条件下单站测距数据定位不稳键的问题,提出了结合月面高程约束的定位方法.协方差分析结果表明：高程数据的使用可以实现单站30 min测距优于1 km的定位精度;当观测数据累积至3d时,单站测量与VLBI（Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量）的不同组合可以实现同等量级、优于百m的定位精度;测量系统差是制约定位精度的主要因素,完全标校测量的系统偏差则能实现10 m左右的定位精度.     

A demonstration of sub meter GPS orbit determination and highprecision user positioning

High-accuracy orbits have been determined for satellites of the Global Positioning System (GPS), with submeter orbit accuracy demonstrated for two well-tracked satellites. Baselines of up to 2000 km in North America determined with the GPS orbits shows daily repeatability of 0.3-2 parts in 10⁸ and agree with very long baseline interferometry (VLBI) solutions at the level of 1.5 parts in 10 ⁸. Tests used to assess orbit accuracy include orbit repeatability from independent data sets, orbit prediction, ground baseline determination, and formal errors. One satellite tracked for eight hours each day shows RMS errors below 1 m even when predicted more than three days outside of a 1-week data arc. These results demonstrate the powerful relative positioning capability available from differential GPS tracking. Baselines have also been estimated between Florida and sites in the Caribbean region over 1000 km away, with daily repeatability of 1-4 parts in 10⁸. The best orbit estimation strategies included data arcs of 1-2 weeks, process noise models for tropospheric fluctuations, combined processing of GPS carrier phase and pseudorange data, and estimation of GPS solar pressure coefficients     

自主机动条件下的实时定轨方法

中继卫星在跟踪自主机动用户目标时,由于机动轨道未知,需要利用中继卫星下传的星载GNSS(Global Navigations Satellite System,全球导航卫星系统)数据进行实时轨道确定与预报,为中继卫星跟踪提供实时的引导信息,以方便中继卫星快速捕获目标和连续稳定跟踪。针对该类用户目标的任务需求,讨论了基于星载GNSS数据自主机动条件下的实时定轨方法,建立了连续推力机动力学模型。以某一型号卫星的实测数据进行分析验证,并对轨道机动进行辨识,计算的机动加速度和机动时间与试验单位提供的结果一致。针对卫星不同机动情况,5min的观测数据定轨预报10min的弧段,最大位置误差小于8km,可以为中继卫星快速捕获提供高精度的引导信息。     

嫦娥三号动力落月段轨迹确定策略

针对CE-3（嫦娥三号）月球探测器动力下降弧段,特别是悬停避障段频繁机动的特点,提出了采用B样条函数逼近方法进行落月轨迹确定.仿真分析表明：在动力下降运动较平滑弧段,B样条逼近法计算结果略优于多项式拟合法;而在频繁机动弧段,B样条逼近法有明显优势.计算结果表明,加入VLBI（Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量）数据后能有效提高落月轨迹确定精度,在没有系统误差的情况下联合定位后位置精度优于50 m.此外,还分析了三向测量系统差对定位的影响,可对CE 3任务提供参考.最后对CE 3实测数据进行处理,动力落月段末点位置和着陆器定位计算值相差不到200 m.     

Improvement of Satellite Tracking Accuracy Using Optical Observations

A method to improve satellite tracking accuracy is presented and discussed theoretically and experimentally in terms of two parts: correction for errors of the tracking system and correction of satellite orbit predictions. In the first part, it is concluded that the pointing error of the tracking system can be determined accurately using data from stellar observations, so that correction is possible with an accuracy of about 0.001°. In the second part, it is shown that apparent errors of satellite orbital elements can be deduced from the optical observation of one orbit, and one can track the satellite after the correction with high accuracy for several subsequent orbits. The accuracy is 0.1-0.2 mrad or better for satellites at 1000 km altitude when given orbit prediction accuracy is approximately 1°.     

基于我国深空站三向测量模式的数据精度分析

为了验证我国深空站三向测量模式的正确性,以同步星跟踪试验中的测量数据为基础,建立了站间同步修正算法和三向测量观测模型,通过与同步卫星的精密星历反算测量值比较,得到了测量数据的标定参数,结果表明,我国深空站测控能够实现dm级的测量精度,明显优于“嫦娥二号”测量的水平;同时利用测量数据进行定轨策略分析,最终实现了10 m量级的同步卫星定轨精度.分析结果为“嫦娥三号”探测器实施有效测控提供了依据.     

Optical Calibration of Geostationary Satellite Tracking Systems

A precise calibration method for range and angle observation has been developed for eliminating the systematic error of tracking systems, thus improving the accuracy of orbit determination for geostationary satellites. The principle of calibration is based on an orbit determination employing a point of optical angle observation in addition to radio tracking observation, in which we estimate observation bias parameters simultaneously with orbital elements, including the effects of geodetic mismodelings. As shown by an actual calibration experiment in our ground station, orbit determinations is sufficiently accurate that the error of predicting satellite range falls within a few meters at four days after the day of orbit determination.     

Spacecraft orbit determination using GPS navigation solutions

The orbit determination using the GPS navigation solutions for the KOMPSAT-1 spacecraft has been studied. The Cowell method of special perturbation theories was employed to develop a precision orbit propagation, and the perturbations due to geopotential, the gravity of the Sun and the Moon, solid Earth tides, ocean tides, the Earth's dynamic polar motion, solar radiation pressure, and atmospheric drag were modeled. Specifically, the satellite box-wing macro model was applied to minimize the drag errors at low altitude. The estimation scheme consisted of an extended Kalman filter and Bayesian least square method. To investigate the applicability of the method to the KOMPSAT-1 spacecraft, the orbit determination was accomplished using the GPS navigation solutions for the TOPEX/POSEIDON and TAOS satellites. The orbit determination results were compared with NASA POE generated by global laser tracking. The position and velocity accuracy was estimated about 16∼7 m and 0.0157∼0.0074 m·s⁻¹ RMS, respectively, for the two satellites in the presence of SA. These results verify that an orbit determination scheme using GPS navigation solutions can provide the static orbit information and reduce conspicuously the position and velocity errors of navigation solutions. It can be suggested that the sequential and batch orbit determination using the GPS navigation solutions be the most appropriate method in the KOMPSAT-1 type mission.