空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——动力学统计定轨程序compass的编写及调试

介绍了空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的开发过程。软件的初级阶段目标是可以利用SLR观测对多颗激光卫星进行同时定轨、可以利用非差GPS观测对GPS星座进行同时定轨,并估计有意叉的地学参数。COMPASS的开发采取了由简到繁、循序渐进的技术策略,软件开发经历了这样几个主要过程：多星多技术定轨框架的建立。利用SLR观测确定GPS卫星的轨道,利用IGS的SP3轨道确定GPS星座的轨道,利用非差GPS伪距观测确定GPS星座的轨道,利用非差GPS伪距和相位观测确定GPS星座的轨道。激光卫星的定轨精度已经达到国际水平,可以用于提供国际服务（如IERSEOP;ILRS快速分析）;GPS定轨内符精度达到国际先进水平,平均外符精度好于30cm。     

空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——需求分析

对空间飞行器精密定轨软件COMPASS的开发作了详细的需求分析,包括软件功能、定轨模式、可分析的数据类型、参数解算、运行环境等,以便为COMPASS软件系统的设计提供依据。     

星载GPS相位非差低轨卫星定轨及其精度分析

星载GPS相位非差低轨卫星事后精密定轨无需考虑复杂的动力学模型和地面资料，只需低轨卫星上的GPS观测资料和IGS的GPS精密星历产品，而且对于不同高度的卫星定轨都适用，计算简单、方便，能快速、高精度地确定轨道，同时还能确定部分动力学参数。本文在研究相位非差定轨方法基础上，对低轨卫星的误差影响及其处理措施进行探讨，给出了GPS相位非差定轨流程，编写了相应的定轨软件（SHKINE），并利用CHAMP卫星资料对定轨的可靠性和精度进行分析，表明：利用自行编写的SHKINE定轨软件对CHAMP卫星定轨，3个方向坐标精度为10cm-20cm，点位精度为30cm-40cm，能满足一般定轨要求，是一种简单方便、行之有效的定轨方法。     

导航卫星的短弧运动学定轨

导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,由于观测数据有限,传统的统计定轨理论难以实现导航卫星精密定轨。本文尝试采用一种不依赖轨道动力学的、新的运动学定轨方法来处理短弧和复杂动力学过程中的定轨,提出了基于多项式拟合的短弧运动学定轨算法,并提出2种不同的实现方案。该算法充分利用了高采样率的测轨数据,减少了结果的噪声,其优点在于不需要长时间累积测轨数据,可以实现近实时快速计算,克服了动力学法定轨发散和单点定位无法获得卫星速度信息等不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10min左右短弧运动学定轨的位置精度可以优于10m,速度精度优于4cm/s,满足了短弧跟踪条件下RDSS对卫星轨道精度的要求,实现了短弧跟踪条件下卫星精密定轨,但从轨道预报精度来看,该方法仅仅适用于短期预报。     

空间飞行器的多普勒实时自主定轨精度分析

空间飞行器需要实时的高精度轨道信息来完成对栽荷的指令操作和遥感数据的实时处理。除了星栽GPS技术,星载多普勒无线电定轨定位系统（DORIS,Doppler Orbitography and Radio—positioning Intergrated by Satellite）是仅有的有能力提供分米级精度的实时在轨轨道确定技术,它可通过测量星地相对多普勒频移,在星上完成实时定轨和预报,目前该技术已在国外多个卫星上实现,达到了较好的效果,而我国还没有建立这样实时自主定轨系统。为此,结合我国高分辨率空间对地观测系统的建设需求和我国航天器对实时自主定轨及其精度的要求,利用扩展卡尔曼滤波算法对多普勒测量进行了实时自主定轨仿真计算,分析了频率偏差估计与否、初轨误差、地面信标站地理分布以及观测精度等对实时自主定轨的滤波收敛时间和定轨精度的影响,为我国利用DORIS技术进行实时在轨轨道确定提供方案和软件原型。仿真计算表明,基于28个全球分布的地面站,对于高度为800km的卫星,在忽略其动力学模型误差的假设下,若初轨三维位置、速度误差分别为100m（或差至1km）、1m／S（1d）,2h后滤波可以达到稳定收敛,收敛后的实时定轨误差可以达到0．1m（1d）。滤波估计参数除了6个卫星轨道状态参数,还估计了地面信标相对于卫星超稳定振荡器的频率偏差;     

利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析

怀柔一号引力波暴高能电磁对应体全天监测器（GECAM）卫星是中国探测引力波暴（GWBs）、快速射电暴（FRBs）和伽马射线暴（GRBs）等暴发现象高能电磁对应体的空间天文卫星。得益于使用硅光电倍增器代替传统器件的创新设计，GECAM在具有很高的时间分辨率（0.1μs）、绝对时间精度（～3μs）和很广视场的同时大幅减轻了重量。利用GECAM卫星的Crab观测数据，基于轨道动力学模型和脉冲星脉冲轮廓显著性分析的定轨算法（SEPO）开展了单脉冲星的定轨验证。结果表明该算法能实现对GECAM卫星B卫星的轨道进行定轨，利用40天的在轨观测数据可得定轨精度（99.7%置信度）如下：轨道半长轴精度为5.85 m，偏心率精度为0.000 121，轨道倾角精度为0.013 1°，升交点赤经精度为0.165°，近地点幅角精度为0.216°，平近地点角精度为0.217°。试验证明了用作伽马暴监视的微小卫星也可进行脉冲星定轨，为中国未来脉冲星空间定轨和导航提供了新的思路。     

双线程滑动窗口多系统GNSS超快精密定轨实现及评估

全球导航卫星系统（GNSS）超快精密定轨为GNSS实时应用提供了高精度空间基准。基于天地协同定位、导航与授时（PNT）网络服务中心实现了四系统GNSS卫星超快精密定轨,并对定轨结果进行精度评价。介绍了天地协同PNT网络的概念内涵以及网络服务中心部署的超快精密定轨软件架构和详细功能,并针对实时应用需求提出了一种双线程滑动窗口超快精密定轨策略。最后利用重叠弧段比较、与外部轨道产品比较以及卫星激光测距（SLR）检核3种方式对定轨结果进行了精度评价。结果表明,与武汉大学分析中心的最终事后精密轨道产品相比,四系统GNSS MEO卫星预报6 h弧段的径向均方根（RMS）误差整体在2~5 cm水平,BDS2 IGSO卫星最小一维RMS误差在10~15 cm水平;GPS和Galileo卫星的SLR检核残差均值在1~3 cm水平,标准差在3~6 cm水平,能够满足后续厘米级实时应用对空间基准的精度需求。     

一种数值定轨方案

本文给出一种有别于习惯采用的人造卫星精密定轨方法，该方法仍以分析定轨法的轨道根数作为待估状态量，但却采用数值法计算精度要求较高的卫星受摄星历，而用分析法去计算条件方程中所需的状态转移矩阵。这样既保持了清晰的轨道图象，又使计算卫星受摄星历和状态转移矩阵得以简化，相应的软件形式简单。只要定轨弧段Ｓ不太长（Ｓ〈１０＾３），就能在一定精度条件下明显提高卫星定轨的计算效率。     

TDRSS轨道确定方法的初步研究

本文针对TDRSS(跟踪和数据中继卫星系统)的中继卫星(地球赤道同步卫星)至用户星(被跟踪航天器)的测距、测速资料,给出了这种星-星跟踪定轨的条件方程。根据星-星跟踪定轨、星-星跟踪和星-地跟踪混合定轨的各种情况(是否同时确定中继卫星轨道,一颗或几颗中继卫星等),给出了不同的测轨流程和方法。为了进行仿真计算,本文针对TDRSS的具体情况,给出了生成仿真观测资料和相关数据的方法,分析了仿真计算的功能。初步的部分试算表明,星-星跟踪对提高我国用户星的测轨精度确实具有重要作用;努力提高地球赤道同步卫星(中继卫星)的测轨精度,可以大大简化TDRSS用户星的测轨流程,有利于用户星的轨道确定。     

面向导航增强的低轨卫星钟差确定及预报方法研究

低轨导航增强是未来导航发展的重要趋势,而高精度低轨卫星钟差是实现低轨导航增强的必要条件。基于Sentinel-6A卫星,对低轨卫星钟差特性进行了分析,给出了钟差确定方法及影响因素,介绍了顾及钟差特性的低轨卫星钟差预报方法。实验表明,低轨卫星钟差含有多个周期项,给低轨卫星建模和预报带来了困难。与使用运动学定轨模型相比,基于简化动力学的定轨模型可显著提升低轨卫星钟差精度;当基于运动学模型确定低轨卫星钟差时,相较于使用GPS单系统数据,多GNSS观测数据可提升低轨卫星钟差精度。研究表明,基于GPS和Galileo观测的Sentinel-6A卫星钟差精度相较于GPS单系统钟差精度改善了36%,同时,所使用的GNSS产品精度与低轨卫星钟差精度密切相关。利用顾及卫星钟差特性的低轨卫星钟差预报方法,当预报时长小于1 min,低轨卫星钟差预报精度（预报与解算值之差的RMSE）在0.1 ns之内,当预报时长小于5 min,预报精度在0.3 ns之内,随着预报时长的增长,预报精度显著下降。     

双星定位系统及其备份星在近地卫星联合定轨建模中的应用

建立了基于双星定位系统距离和观测数据的近地卫星联合定轨模型,设计了相应的数值融合联合定轨算法;为进一步提高近地卫星定轨精度,考虑融合双星及备份星距离和观测数据,建立了基于双星和备份星的近地卫星联合定轨模型及实现算法,并针对不同仿真条件进行了联合定轨仿真实验。仿真计算结果表明,联合定轨方式较传统近地卫星精密定轨方式可以更好地抑制双星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,近地卫星和双星的定轨精度均得到了一定程度的提高;同时,融合备份星观测数据的近地卫星联合定轨精度得到进一步改善,达到5.17m。     

卡尔曼滤波定轨算法的研究进展

本文对国外卡尔曼滤波定轨算法的研究与试验进行了综述。80年代关于地球引场模型误差的研究，有大地改善了滤波的稳定性，在滤波的同时加进卡尔曼平滑，又显著提高了卡尔曼滤波的定轨精度。90年代美国、法国继研制成功卡尔曼波滤定轨软件，并投入试验运行，NASA的TONS软件（中继星星上导航系统）从1992年7月14日开始，在EUVE星上连续运行了320天，定轨精度（RMS）为25m。法国的DIODE（DORIS实时轨道确定）软件从1998年3月26日开始在SPOT4上运行的两年中，最长连接运行12个月，定轨精度（RMS）为6m。     

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。     

磁暴下的LEO卫星精密轨道确定

对低轨卫星（LEO）,大气阻尼摄动是主要的定轨误差源.尤其在发生磁暴时,求解一个大气阻尼因子的定轨方法已不能充分吸收大气密度计算不准所造成的定轨误差,因而在标校统一S波段（USB）的测量系统差和随机差时往往计算失真.本文提出了一种求解折线型Cd因子的新方法,克服了动力学模型不准所带来的定轨误差,通过与独立的GPS数据比较,定轨精度有明显提高,同时给出的测量系统差和随机差更加真实可信.     

GPS单差观测量的运动学相对定轨研究

以双星编队飞行为工程背景,在两颗编队卫星均搭载GPS双频接收机和一颗搭载GPS双频接收机而另一颗搭载GPS单频接收机两种模式下,对相对定轨方法和数据处理流程进行了研究。运动学相对定轨采用最小二乘批处理方法进行轨道估计,定轨流程包括单点定位、动力学平滑、数据编辑、运动学绝对定轨和运动学相对定轨五个步骤。利用GRACE双星数据进行测试,结果通过KBR验证:利用消电离单差组合观测量,相对定轨精度达到1 cm左右;以双频GPS为参考星,双频消电离观测量和单频GRAPHIC观测量做单差,相对定轨精度优于18cm。     

动量轮卸载对环月卫星SMART-1轨道的影响和定轨策略

动量轮卸载是卫星进行姿态控制的一种常用手段。通过对欧空局（ESA）首颗环月卫星SMART-1测轨资料的分析,计算了动量轮卸载对卫星轨道的影响,特别讨论了在动量轮卸载的精确信息未知时提高卫星定轨和预报精度的策略。计算表明,2006年5月29日至6月2日期间,SMART-1多达19次的动量轮卸载过程使得其轨道位置变化达到3km。如果不考虑动量轮卸载的影响,定轨结果相比于ESA重建轨道的位置误差最大可达742m。本文利用分段常数的经验加速度模型来模制动量轮卸载产生的小推力。计算表明,即使动量轮卸载的精确信息未知,采用该方法也可显著提高定轨和预报精度,定轨位置误差最大下降到246m。计算还表明,经验加速度的合理选择（周期性、常数或线性经验加速度）决定定轨精度的改善程度。考虑到我国的首颗探月卫星“嫦娥一号”也将采用动量轮卸载的方式进行姿态控制,本文的结论对我国的探月工程有一定的借鉴意义。     

上海天文台火星卫星定轨软件系统

具有自主知识产权的上海天文台火星卫星定轨软件MarsODP已经初步完成编写工作,该软件以应用于我国未来的火星探测计划为目标。本文介绍了火星定轨软件MarsODP的研制背景,对软件需求进行了分析,介绍了软件的结构设计,利用模拟数据对软件进行了测试,并给出了一些实测数据的处理结果。     

利用DORIS测轨系统实现高精度定轨

仿真研究DORIS测轨系统,重点考察了大气密度模型误差、测量精度、测轨网分布对定轨精度的影响。仿真结果表明,除了测轨网的地理分布,动力学模型中的大气模型误差对中低轨卫星精密定轨结果影响也较大。对ENVISAT卫星的DORIS实测数据进行了定轨分析,结果表明实测数据的定轨精度比仿真精度大约低1个量级不到。综合仿真结果和实测数据进行精度分析,推断对800km高度的太阳卫星轨道,采用8个DORIS信标站布设,24h定轨,定轨三维位置精度可以达到29cm(1σ),其中径向误差为3.4cm(1σ)。若采用30个DORIS信标站布设,定轨精度可提高30%。     

基于改进UKF的小卫星磁测定轨方法

针对小卫星设计简单、功耗低的特点,提出一种利用三轴磁强计测量信息实现卫星磁测自主定轨的方法。为了提高自主定轨的计算效率,采用基于球体单形ε点采样的改进UKF(Unscented Kalman Filter)作为处理自主定轨的滤波算法。最后对这种定轨方法进行了仿真试验,结果表明,该滤波算法能有效保证收敛的速度和定轨精度。     

我国第二代静止气象卫星定轨测距方案探讨

针对我国第二代静止气象卫星高精度定轨测距任务需求,提出了一种五站联合实时测距定轨方案。该方案可以实时修正电离层时延、卫星转发器时延等因素对测距精度的影响;同时对卫星设备配置要求相对简单。经初步分析,该方案可以满足我国第二代静止卫星定轨测距性能要求。