SGP4/SDP4模型用于空间碎片轨道预测的精度分析

为保证航天任务的顺利完成 ,必须采用一定的模型 ,对可能威胁目标轨道的空间碎片进行跟踪预测。文中首先给出标称轨道的计算模型 ;接着介绍两行轨道根数 (TLE)和考虑了简化常规 /深空扰动的近似解析解模型 (SGP4/SDP4) ,并提供TLE使用的坐标系和惯性系之间的转换 ;然后以典型轨道为例 ,分析SGP4/SDP4与标称轨道的偏差。运算结果表明SGP4/SDP4运算速度快 ,满足一定精度 ,可以用于空间碎片的轨道预测和初步威胁评估。     

基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测

针对由轨道控制、大气环境、碰撞等因素造成的低轨(LEO)航天器轨道突变问题,提出了一种基于预报偏差的轨道异常检测方法。选择LEO轨道的半长轴和倾角作为特征轨道参数,利用SGP4模型长期项对目标的两行轨道要素(TLE)进行预报得到特征轨道参数的预报值,通过对特征轨道参数的编目数据和预报数据进行平滑后求差得到预报偏差序列,基于马氏距离对预报偏差数据的两个分量进行联合异常检测。对Terra卫星2010年的机动事件分析结果同NASA发布的其机动历史相吻合,表明该方法可以有效地检测航天器轨道异常的次数、时间和类型,可应用于空间目标的监视与空间态势的感知。     

椭圆轨道卫星空间任意位置悬停的方法

对任务星施加持续的控制加速度,使其在飞行过程中相对于目标卫星的空间位置保持不变,即实现任意位置悬停飞行。通过对任务星与目标星的相对运行分析和重力差异补偿分析,给出了在飞行过程中任务星相对于运行在椭圆轨道上的目标星实现任意位置悬停所需的径向、切向和法向控制加速度公式。最后对典型悬停飞行过程进行了动力学仿真,并对不同悬停飞行任务的能量消耗进行了对比分析,表明在一段时间内对任务星进行轨道悬停是可行的。     

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

一种探月任务多窗口发射轨道设计方法

针对探月任务多窗口发射需求和目标轨道受到明显月球引力摄动的特点,提出一种快速高效的发射轨道设计方法：在星箭分离前的发射段,各发射窗口对应的发射轨道的一、二级飞行段完全相同,仅调整三级工作段程序角和无动力滑行时间,以满足入轨要求;在末级排放段,微调末级速度方向,利用月球摄动抬高末级近地点高度,使之超过GEO受保护区。该方法可统一火箭一、二级飞行段状态,缩小子级残骸落区范围,增强入轨参数设计的灵活性,显著提高星箭入轨参数迭代和相关分析工作的效率,明显改善末级离轨效果,符合空间安全相关要求,可推广应用于其他深空探测任务的多窗口发射轨道设计。     

“科学实验二号”的跟踪观测和轨道分析综述

我国成功发射的第二颗卫星“科学实验二号”,于一九七一年三月三日入轨,卫星本体一九七九年六月十七日陨落,末级运载火箭一九七六年二月十六日陨落。中国科学院人造卫星系统对这两个空间目标,长期进行了光学跟踪观测、测轨和预报;对所积累的大量观测资料,进行轨道分析,为卫星大气动力学研究和有关任务提供了宝贵的轨道资料。本文就是对“科学实验二号”跟踪观测和轨道分析的总结;同时扼要地介绍了国外对这两个空间目标的跟踪和研究情况。     

空间目标碰撞预警的协方差计算与应用

碰撞概率是碰撞预警工程中空间目标危险交会的重要判据之一,其计算精度会受到预报协方差计算精度的影响. 本文统计计算了两种形式的预报协方差. 一是利用精密数值预报模型对卫星精密根数进行预报,将预报根数与精密根数的差作为样本,统计得出1～7天不同预报期的预报协方差;二是采用 SGP4/SDP4预报模型对TLE数据进行预报,将预报根数与TLE根数的差作为样本,统计得出1～7d不同预报期的预报协方差. 分别分析两种方法中包含变轨过程和无变轨情况下的轨道预报精度. 结合2012年某低轨道卫星的危险交会,分析了采用不同协方差时,协方差精度对碰撞预警精度的影响. 协方差计算可为实际碰撞预警工程提供参考.      

空间非合作目标消旋技术研究现状总结与展望

针对空间非合作目标开展在轨服务、轨道清除等需要在轨捕获任务的顺利实施,在捕获前一般需要对非合作目标进行消旋。系统调研了国内外针对空间非合作目标的消旋方案,并将其分为基于能量转移和基于能量损耗的两种方案。在对两类方案的具体原理及操作过程与关键技术进行总结的基础上,概括了各方案的特性及其适用场景,分析了未来空间非合作目标消旋技术的发展方向。     

Propagation errors analysis of TLE data

Orbit position uncertainty is an important factor for collision avoidance issues. For a single object with high frequency historical data, we can attain its position uncertainty easily. But sometimes data is not enough for errors analysis, orbits need to be classified. In this paper error analysis is made from two-line element sets data (TLEs). The Simplified General Perturbations-4 (SGP4) propagator was used. Statistical errors of debris and R/B are given for lower-altitude orbits which are classified by perigee altitude and eccentricity. The errors results and analysis for SSO (the Sun synchronous orbit) typical orbits are obtained. At last atmospheric drag as a main cause of downrange errors in lower-altitude orbit is analyzed. BSTAR in TLEs is modified to improve prediction precision.     

Improved orbit predictions using two-line elements

The density of orbital space debris constitutes an increasing environmental challenge. There are two ways to alleviate the problem: debris mitigation and debris removal. This paper addresses collision avoidance, a key aspect of debris mitigation. We describe a method that contributes to achieving a requisite increase in orbit prediction accuracy for objects in the publicly available two-line element (TLE) catalog. Batch least-squares differential correction is applied to the TLEs. Using a high-precision numerical propagator, we fit an orbit to state vectors derived from successive TLEs. We then propagate the fitted orbit further forward in time. These predictions are validated against precision ephemeris data derived from the international laser ranging service (ILRS) for several satellites, including objects in the congested sun-synchronous orbital region. The method leads to a predicted range error that increases at a typical rate of 100 m per day, approximately a 10-fold improvement over individual TLE’s propagated with their associated analytic propagator (SGP4). Corresponding improvements for debris trajectories could potentially provide conjunction analysis sufficiently accurate for an operationally viable collision avoidance system based on TLEs only.     

同步轨道通信卫星占频保轨现象分析与实测

为了应对国际电信联盟对卫星频轨资源的相关规定,卫星运营商可能会选择将卫星送至另一个不同的轨位并连续保持90天来启用该位置的频率指配.这种变轨行为称作"占频保轨",是一些同步通信卫星的常规操作.本文以国际通信组织的INTELSAT系列卫星为研究对象,基于双行根数(TLE)和SGP4/SDP4模型计算了 67个INTELS...     

TLE预报精度改进及碰撞预警中的应用

双行根数（Two Line Elements,TLE）是目前唯一公开发布且编目最完备的地球轨道空间目标编目数据,由于其根数的特殊性,必须配合SGP4/SDP4 使用导致其预报精度有限. 通过对TLE+SGP4/SDP4预报误差源的分析,利用历史TLE数据生成准观测数据重新进行轨道拟合,针对不同轨道高度和面积质量比情况,确定相应拟合周期,得出了基于弹道系数先验信息有效确定面积质量比的经验方法,对多个独立时段拟合后轨道根数结合数值方法的预报误差进行统计,结果表明,拟合后的TLE根数预报精度与稳定性有很大程度提升. 利用实例对拟合TLE在碰撞预警中的应用进行分析,认为该方法对航天工程中碰撞预警置信度的提高具有重要意义.      

Optimising filtering of two-line element sets to increase re-entry prediction accuracy for GTO objects

Predicting re-entry epoch of space objects enables managing the risk to ground population. Predictions are particularly difficult for objects in highly-elliptical orbits, and important for objects with components that can survive re-entry, e.g. rocket bodies (R/Bs). This paper presents a methodology to filter two-line element sets (TLEs) to facilitate accurate re-entry prediction of such objects. Difficulties in using TLEs for precise analyses are highlighted and a set of filters that identifies erroneous element sets is developed. The filter settings are optimised using an artificially generated TLE time series. Optimisation results are verified on real TLEs by analysing the automatically found outliers for exemplar R/Bs. Based on a study of 96 historical re-entries, it is shown that TLE filtering is necessary on all orbital elements that are being used in a given analysis in order to avoid considerably inaccurate results.     

地球同步轨道带动态监视光学系统样机及试验观测结果

地球同步轨道上目标数量多，运动形式多样.为了保障航天活动的安全，有必要开展地球同步轨道目标的动态监测，及时掌握发生在中国专属地球同步轨道带的空间事件.2015年12月地球同步轨道带动态监视光学系统样机正式安装在中国丽江高美古观测站.2015年12月至2016年2月，利用该样机对台站上空地球同步轨道带的样本天区开展了试验观测.结果表明，样机能够对27颗地球同步轨道目标进行连续监测，其中两颗为北美航空航天司令部未编目的目标；目标天文定位的内符精度在方位上约为4"，在俯仰上约为1".利用多圈次观测结果对轨道进行改进，在无轨控发生时，24h和48h点位预报精度在方位和俯仰上分别优于9"和2".以3颗GEO目标为例，通过实测资料对轨道变化事件进行了初步分析和验证.      

卫星规避方案量化分析方法研究

空间碎片数量日益增多,为保护在轨卫星的运行安全,需要针对碎片碰撞制定规避方案,用来规避碰撞风险.本文在调研国外卫星规避机动流程的基础上,分别研究了卫星规避相关的轨道机动方式、轨道预报模型以及交会风险计算模型,建立了卫星规避方案量化分析方法,为规避方案的选择提供参考.      

利用卫星两行轨道根数反演热层密度

两行轨道根数（TLEs）是基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器位置和速度的一组轨道参数,通过求解大气阻力微分方程,可反演出热层大气密度. 本文选取近圆轨道CHAMP卫星和椭圆轨道Explorer8卫星,以两行轨道根数数据为基础,计算反弹道系数,并根据不同轨道特征采用两种不同反演方法对热层大气密度进行研究. 结果表明,这两种方法反演得到的大气密度与实测值均符合较好,其中CHAMP卫星的反演结果和经验模式值相对于实测值的误差分别为7.94%和13.94%,Explorer8卫星的误差分别为9.04%和14.32%. 相比模式值,利用两行轨道根数数据反演的热层大气密度更接近于实测值,说明该方法可以作为获取大量可靠大气密度数据的一种有效途径.