导航星座自主导航技术--自主星历更新

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精密确定和轨道短时预报两个方面的内容。本文在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上,重点提出星座卫星轨道精密确定的自适应Kalman滤波算法。系统仿真结果表明：通过星间双向测量数据的滤波处理,能够获得高精度的卫星星历和较小的用户测距误差（URE）,满足高精度导航定位需求,初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性。     

北斗实时精密轨道和钟差产品解算策略及精度评定

随着北斗卫星导航系统全球星座部署即将完成，其应用领域不断扩大，实时精密服务性能受到了极大关注。基于动力学精密定轨方法，设计了北斗卫星实时轨道、钟差算法流程和解算策略。利用不同频点信号，分别计算了BDS-2和BDS-3卫星的实时精密轨道和钟差，建立了完整的轨道和钟差精度评定方法，重点对解算的实时产品的精度进行了评定。结果表明：BDS-2和BDS-3实时精密轨道和钟差产品精度均可满足大部分实时用户的需求。对于B1IB3I频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度约为26cm，径向精度约为6cm，实时钟差精度约为0.45ns，且相较于BDS-2，性能更加稳定；对于B1CB2a频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度优于20cm，精度和稳定性较高。     

利用GPS进行精密轨道确定

全球定位系统(GPS)完全布满卫星后,将成为近地卫星的精密轨道确定(POD)强有力的工具。该系统具有连续跟踪覆盖能力,不仅可实现传统的动力学精密轨道确定方法,而且还可进行运动学轨道确定。来自至少四个GPS卫星的伪距测量值,通过载波相位测量值的平滑,可测定天线相位中心的地心位置和用户卫星的时钟修正值,因而后一技术不需要用户卫星受力的动力学模型。运动学法对测量模型的影响非常敏感,如GPS星历误差(给定的或求解的)、信号的多径、接收机噪声等等;然而,动力学方法又受参数误差和/或力模型不完善的影响。为此研究出一种利用过程噪声补偿对运动学和动力学算法进行加权的混合方案。本课题的中心点是利用仿真辅以协方差分析,研究这几种定轨方法。建立了几种动力学和测量误差模型,这些模型造成的轨道不确定性与处理实际GPS数据而估计的星历误差大致相当。协方差分析经调整能反映这些误差,能看出各种滤波技术的特性。     

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。     

利用姿态测量数据确定卫星初始轨道

提出了一种利用姿态测量数据确定卫星初始轨道的新方法。姿态确定后,根据卫星姿态与位置函数的关系,可确定位置矢量的方向数。采用三个不同时刻的测量值,根据飞行时间定理和几何约束条件,得到卫星轨道的解析方程。利用微分校正法解方程即可得卫星轨道参数,最后对卫星多种姿态及飞行轨道进行了仿真计算,结果显示迭代算法收敛,证明此方法是可行的。     

中国科学院国家授时中心“高精度时间传递与精密测定轨”研究室简介

正研究方向和平台:主要研究高精度时间频率传递与精密测定轨技术,以及相关的科学问题。具体包括:1)双向卫星时间频率传递(TWSTFT)与转发式测定轨。研制了国内多站分布的双向卫星时间传递与转发式测定轨系统平台,开展双向卫星时间频率传递技术研究,开展卫星转发式测定轨技术(ODTT)研究;2)北斗/GNSS精密测定轨与时间服务。研制了国际GNSS监测评估系统(iGMAS)国内跟踪网、数据中心和分析中心平台,开展北斗/GNSS卫星及低轨卫星精密轨道与钟差确定、电离层延迟和对流层延迟解算建模、GNSS卫星精密定位授时与时间频率传递等技术研究,以及日长变化和极移等相关科学研究;     

近地卫星轨道确定技术的现状和发展趋势

本文叙述了作者对近地卫星轨道确定技术目前状况和将来趋势的看法。文中只讨论不载人的人造卫星,“近地”定义为地球同步距离之内的卫星。文章评述了轨道确定系统的各主要组成部分以及每一部分各要素的演变情况,概述了当前轨道确定过程可达到的典型精度以及限制上述精度的各因素,并列举了当前改善轨道确定过程所用动力学模型的几个例子;介绍了近地卫星轨道确定方面将来的某些发展趋势,其中包括星上定轨和实时定轨方面的一些方案和试验。     

顾及轨道误差的GNSS卫星钟差实时估计策略优化

为提高GNSS卫星钟差实时估计精度，针对GNSS各卫星系统的轨道差异，分析各系统卫星轨道误差对钟差估计的影响，基于距离函数线性化二阶残余项的思想，提出了一种顾及轨道误差的权函数模型，以优化实时卫星钟差估计策略。利用全球均匀分布的IGS和iGMAS跟踪站的实时观测数据进行实验，并与GBM的事后精密钟差进行对比分析。结果表明： GPS精度提高率为6.47%，BDS精度提高率为6.46%，GLONASS精度提高率为7.42%，Galileo精度提高率为7.62%。     

太阳同步卫星轨道参数的容许偏差分析

飞行任务对卫星轨道提出指标要求，这些指标决定了卫星轨道参数的容许偏差范围。结合太阳同步(准)回归轨道卫星的轨道特性，针对覆盖重叠率、太阳同步等指标，使用解析方法讨论了大气阻力摄动影响下轨道参数的容许偏差，通过分析可以初步确定轨道控制策略及能量需求，最终为轨道保持方法的设计提供参考和依据。     

利用改正数信息的北斗三号实时精密单点定位及性能分析

北斗三号全球卫星导航系统已正式建成并开通服务。为了利用实时改正数信息系统地揭示北斗三号精密单点定位性能，并为用户提供理论依据和应用参考，首先解算了卫星实时精密轨道、钟差及其改正数，分析了其精度。然后基于实时改正数信息，利用监测站广播星历和观测数据，分别进行了双频静态、双频仿动态、单频静态和单频仿动态仿实时精密单点定位，以评估其性能。结果表明：北斗三号MEO卫星实时轨道和钟差精度均值分别约为12cm和0.2ns，满足实时精密单点定位需求。静态实时精密单点定位精度优于动态，双频优于单频，均可达到分米级。对于定位收敛时间，双频静态最短，约为40min；双频动态和单频静态均约为85min；单频动态最长，约为120min。     

卫星定位系统——新时代的指南针

新时代的"指南针"1957年10月,前苏联率先成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星.美国研究人员在监听卫星发射的无线电信号时发现,在卫星通过其视野的时间内,所接收信号的多普勒频移曲线与卫星轨道有一一对应关系.这意味着固定于地面的接收站只要获得卫星的多普勒频移曲线,就可确定卫星的轨道.反之,若卫星运行轨道是已知的,那么根...     

月球探测卫星的轨道支持

主要讨论采用月球卫星的探测方式时，月球探测器对测控系统的轨道支持要求和实现手段。重点对月球卫星转移轨道段的轨道测量和确定方法进行研究，利用仿真的地面站的测距和测角资料进行了定轨误差分析。     

导航卫星辐射光压建模进展及发展趋势

辐射光压模型是导航卫星精密定轨的研究热点之一。辐射光压的建模方法主要有经验方法、半经验方法和解析型方法。经验方法由于简单易用、无需知道卫星相关信息等特性而得到广泛应用。但是经验光压模型得到的卫星轨道质量还有进一步提高的空间。在辐射光压建模中引入更多航天器相关的信息可以弥补经验模型的缺陷。中国北斗卫星导航系统2020年建设完成并向全球提供服务,卫星的轨道精度是系统服务性能的重要指标。更好的辐射光压模型可提高北斗卫星轨道的质量。对辐射光压建模技术及研究进展进行梳理可为开发更精准的北斗卫星辐射光压模型铺路。首先根据辐射源的不同将辐射光压分为主动类型和被动类型。然后分析了经验模型、半经验模型以及分析型物理模型的优缺点。聚焦于北斗卫星,也梳理了北斗卫星辐射光压建模的研究进展。根据以上讨论分析了目前辐射光压建模研究未解决的问题。在北斗辐射光压建模中,建议联合解析模型和经验模型的优点,切勿在精密定轨中盲目估计经验参数。     

低轨道卫星可用于航空指挥通信

低轨道卫星通信并非很新的通信技术，70年代初出现的卫星通信就是从低轨道卫星开始的，但在过去20多年中一直都没有受到很好的重视，它的发展远不及大功率高轨道卫星。随着高集成化半导体技术、微处理机技术的迅速发展和移动通信及航空指挥通信需求的急剧增长，低轨道卫星通信系统不仅可能成为现实，而且还将成为全球通信的新热点，特别是为航空指挥通信区域间的大面积覆盖，提供了一个最佳的通信方案。通信卫星按其运行轨道来划分，可分为高轨道卫星（HEO）、中轨道卫星（MEO）和低轨道卫星（LEO）3种，在一般情况下，低轨道卫星其运行…     

用单站跟踪数据确定静止卫星轨道

用单个地面站跟踪静止卫星可获得两种跟踪数据,地面站的天线指向和距离。本文分析了用单站确定的卫星轨道参数与跟踪数据及其精度的关系。     

卫星轨道误差的相关性

卫星的轨道误差是卫星测控中需加以约定的重要指标之一,其常用的表示方法主要有Kepler轨道根数形式和RTN投影形式。本文推导了RTN形式的卫星位置、速度误差与Kepler根数误差间的关系,给出了近圆轨道中RTN形式位置、速度误差间的定量关系,分析了RTN形式位置误差约束下Kepler根数误差的相关性,并分别给出了验证算例。该结果可用于分析确定卫星轨道误差指标,使其彼此匹配。     

HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响

通常使用无电离层(IF)线性组合(LC)消除低地球轨道(LEO)卫星简化动力学精密定轨(POD)一阶电离层延迟误差,忽略了高阶电离层(HOI)延迟误差。随着LEO卫星POD技术的发展,计算不同轨道高度的HOI延迟并探索其变化已成为进一步提高POD精度的重要手段。首先,使用国际参考电离层-2016(IRI-2016)和国际地磁参考场第13代(IGRF-13)模型,计算电离层穿刺点(IPP)位置和地磁场强度。其次,使用平滑星载GNSS数据计算电离层斜路径总电子含量(STEC)。然后,分别计算GOCE、GRACE-A和SWARM-A/B卫星的二阶和三阶电离层延迟。最后,评估了HOI延迟对LEO卫星重叠轨道分析、卫星激光测距(SLR)检核和精密科学轨道(PSO)比较结果的影响。实验结果表明：HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响大约在毫米至厘米的数量级上;HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD外符合精度的影响分别达到0.92,0.22,0.21和0.18 mm;随着LEO卫星轨道高度的增加,HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响减小。     

月球卫星运动的分析解

由于月球自转的缓慢及其引力位的特点,导致月球卫星与人造地球卫星的轨道变化有所不同。本文全面地讨论了这一问题,对月球卫星在运动过程中所受到的各种摄动因素作了详尽的分析,并在一定精度要求前提下,采用拟平均根数法,给出了相应的分析解。为月球卫星轨道分析和轨道设计提供了理论依据,而且在相应精度前提下,为月球卫星精密定轨提供了简便的有摄星历计算公式。     

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。     

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。