空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——结构设计

在空间飞行器综合定轨与参数分析软件（COMPASS）需求分析的基础上,重点针对定轨软件的总体流程、多卫星多传感器动力学定轨的流程、全球导航卫星系统（GNSS）数据处理流程进行结构设计,给出了详细的过程和数据流程图。这一工作为COMPASS的编写奠定了基础。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

卫星定轨综述

对卫星定轨中的热点问题作一综述,内容包括短弧定轨和长弧精密定轨。对于短弧定轨(通常指初轨),不仅从原理上分析其关键之处,还介绍如何将适用于无摄运动的特殊定轨方法推广用于同时考虑各种摄动的受摄运动,并可同时适用于圆锥曲线的各种情况：变化的椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道,后者在深空探测器的运动过程中将会遇到。对于长弧精密定轨,阐述当今提高精密定轨精度的力模型补偿问题以及几何定轨的提法,天地基网联合定轨和星-星相对测量的自主定轨问题。     

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%。     

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。     

应用推广卡尔曼滤波实时定轨时的初轨确定方法研究

应用推广卡尔曼定轨方法实时时，要求在短时间内提供较精确的初始轨道。本文针对此问题，提出利用较短时间观测数据计算航天器运行轨道的较精确的初轨方法，并用理论轨道数据对算法进行软件仿真。结果表明，该方法所解算的初轨，在考虑一定的随机误差及系统误差条件下，基本满足定轨精度要求，是一种有效的初轨确定手段。在工程中具有实际应用价值。     

联合定轨技术发展综述及其在基于双星定位系统的近地卫星精密定轨中的应用

对联合定轨概念的产生与发展、联合定轨理论与方法的研究现状进行了综述，提出了一种联合定轨技术的分层次研究方法，并以基于双星定位系统的近地卫星精密定轨为例，重点讨论了基于模型结构层的联合定轨建模方法及实现算法.     

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。     

天宫一号频繁轨控条件下快速测定轨精度及策略分析

2016年,中国将要执行空间站与货运飞船的快速交会对接试验,该试验要求飞船起飞后6 h完成与空间站的交会对接。工程实践中需要对飞船进行多次远导控制,其间留给快速定轨的数据时长最少可能只有5 min,这对短弧定轨精度提出了较高要求。利用天宫一号在轨运行期间实测数据开展了快速测定轨试验,试验频繁轨控条件下5 min数据时长的快速测定轨精度。试验结果表明,不同条件下短弧定轨精度差异较大,这为快速交会对接试验带来了较大风险。为了提高短弧定轨精度,制定了利用轨控前后数据联合解算轨控从而增加定轨数据弧段的方法提高短弧定轨精度的定轨策略。分析结果表明,该定轨策略有效提高了短弧定轨精度,可满足快速交会对接试验轨道维持控制要求。     

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。     

航天发射任务星箭分离前调姿段测轨数据定初轨精度分析

在对星箭分离前调姿段各类测轨数据的测量机理及其误差特性研究的基础上,通过仿真数据和实战任务数据计算,分析了调姿段各类测轨数据的常用定轨方法的定轨精度,给出了定轨时各类数据的使用方法和定轨结果的优选原则。     

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;     

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。     

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。     

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。     

影响奔月飞行器定轨精度的误差源分析

以探月工程为背景,讨论在现有测控网分布、观测弧段以及尽可能接近真实情况的误差源等前提下,利用仿真模拟方法对影响奔月飞行器定轨精度的误差源进行分析。重点考察了观测量精度、初始时刻先验轨道误差、测量船点位误差以及观测资料类型等对奔月飞行器定轨精度的影响。结果表明提高观测量精度和减小测量船点位误差将有助于提高定轨精度,以及采用USB测距、测速和VLBI时延、时延率联合定轨能够提高定轨和轨道预报精度。