基于双星定位系统和星敏感器的低轨卫星自主定轨方法研究

利用双星定位系统的两个测距信息外加星敏感器的测角信息,基于信息融合和信息守恒理论,采用联合推广卡尔曼滤波算法,对低轨卫星进行自主定轨仿真研究。计算结果表明,该方法可以显著提高定轨精度,达到低轨卫星自主定轨的精度要求。     

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.     

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。     

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。     

单颗导航卫星的轨道确定

讨论在导航星座只有一颗卫星时,不依赖于时间同步系统的卫星定轨策略和精度分析。采用历元间差分算法,在消除钟差的主项（低频）误差后,将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据,并对其建立测量模型。仿真分析表明,此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度,利用实测的GPS数据进行轨道确定计算,计算结果表明,采用历元间差分算法,利用国内观测台站3天弧段的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨,其径向精度优于10m,利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13．8m。     

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。     

单星只测角对低轨卫星的EKF跟踪分析

利用扩展卡尔曼（EKF）滤波原理研究基于天基光学平台对低轨卫星的跟踪问题,根据单星只测角观测值建立了相应的状态模型和观测模型,并进行低轨卫星的跟踪仿真,结果表明：该方法可以获得较高的跟踪精度,这使得基于单星只测角星上滤波跟踪成为可能。     

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%。     

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;     

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。     

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。     

Basic performance of BeiDou-2 navigation satellite system used in LEO satellites precise orbit determination

The visibility for low earth orbit（LEO） satellites provided by the BeiDou-2 system is analyzed and compared with the global positioning system（GPS）. In addition, the spaceborne receivers＇ observations are simulated by the BeiDou satellites broadcast ephemeris and LEO satellites orbits. The precise orbit determination（POD） results show that the along-track component accuracy is much better over the service area than the non-service area, while the accuracy of the other two directions keeps at the same level over different areas. However, the 3-dimensional（3D） accuracy over the two areas shows almost no difference. Only taking into consideration the observation noise and navigation satellite ephemeris errors, the 3D accuracy of the POD is about30 cm. As for the precise relative orbit determination（PROD）, the 3D accuracy is much better over the eastern hemisphere than that of the western hemisphere. The baseline length accuracy is 3.4 mm over the service area, and it is still better than 1 cm over the non-service area. This paper demonstrates that the BeiDou regional constellation could provide global service to LEO satellites for the POD and the PROD. Finally, the benefit of geostationary earth orbit（GEO） satellites is illustrated for POD.     

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。     

地球静止卫星精密测定轨技术的现状及发展

介绍并分析了针对地球静止卫星的各种高精度测定轨跟踪技术.指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨在沿迹方向和法向的主要误差源,为保证一致的卫星三维位置解算精度,应利用高分辨率的角度观测约束信息来有效地降低测距偏差对轨道确定的影响,或者利用天地基联合定轨的低轨卫星运动几何在轨道改进的同时精化测距偏差.     

一种单低轨星北斗备份与辅助方法及在轨验证

在低轨卫星上搭载导航载荷,为北斗系统提供有效的备份及辅助性能提升手段,是近年来卫星导航领域专家学者探讨的热点问题.针对全球卫星导航系统信号在恶劣电磁环境下的受扰问题,提出了一种利用单颗低轨卫星实现北斗备份和辅助的方法.北斗备份是指通过单颗低轨星独立为地面用户提供导航服务.北斗辅助是指利用单颗低轨星信号及信息,为地面用户...     

基于Markov过程的卫星星座备份策略研究

如何在满足星座可用性指标的同时降低卫星星座备份成本,是当前研究的热点问题。为了选出一种兼顾星座性能与经济效益的备份策略,研究不同备份策略对某低轨卫星星座性能的影响,建立考虑降级运行的星座可用度模型,利用 Markov 状态转移过程对星座可用度模型进行求解,并基于真实低轨卫星星座在轨运行数据对采用不同备份策略的星座在不同...     

Spaceborne GPS receiver antenna phase center offset and variation estimation for the Shiyan 3 satellite

In determining the orbits of low Earth orbit (LEO) satellites using spaceborne GPS, the errors caused by receiver antenna phase center offset (PCO) and phase center variations (PCVs) are gradually becoming a major limiting factor for continued improvements to accuracy. Shiyan 3, a small satellite mission for space technology experimentation and climate exploration, was developed by China and launched on November 5, 2008. The dual-frequency GPS receiver payload delivers 1 Hz data and provides the basis for precise orbit determination within the range of a few centime-ters. The antenna PCO and PCV error characteristics and the principles influencing orbit determi-nation are analyzed. The feasibility of PCO and PCV estimation and compensation in different directions is demonstrated through simulation and in-flight tests. The values of receiver antenna PCO and PCVs for Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and Shiyan 3 satellites are estimated from one month of data. A large and stable antenna PCO error, reaching up to 10.34 cm in the z-direction, is found with the Shiyan 3 satellite. The PCVs on the Shiyan 3 satellite are estimated and reach up to 3.0 cm, which is slightly larger than that of GRACE satellites. Orbit validation clearly improved with independent k-band ranging (KBR) and satellite laser ranging (SLR) measurements. For GRACE satellites, the average root mean square (RMS) of KBR resid-uals improved from 1.01 cm to 0.88 cm. For the Shiyan 3 satellite, the average RMS of SLR resid-uals improved from 4.95 cm to 4.06 cm.     

测控中的星载计算机快速切换

针对低轨卫星长期管理与测控中的星载计算机所需要的切换、维护的测控时间相对较长的问题,在分析原有主、备星载计算机的时间比对方法的基础上,直接针对备机建立新的时间同步模型,并进行公式推导和理论误差分析;然后建立新的测控事件调度模型,实现时间同步数据与主备机一致性数据的同时注入,优化工作流程,并有效缩短测控时间;最后编写新的遥控作业,在测控中进行实践.应用结果表明,采用新方法可以在一个测控圈次内完成在轨星载计算机的切换与维护,MTTR(Mean Time To Repair,平均恢复时间)小于8 min,时间同步精度优于1 ms,所需测控圈次相对于原方法减少83％以上,适用于在轨卫星长期管理与测控.     

基于低轨通信星座的导航增强技术发展概述

在我国北斗三号卫星导航系统全面完成组网建设的背景下,世界卫星导航步入新时代。各卫星导航大国均瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务,正在着手开展新一代系统建设和技术迭代。随着各国对于大型低轨通信星座的积极开发与广泛部署,应用低轨卫星技术实现导航增强与PNT系统备份能力,因其易与GNSS协同,具有提高全球自主导航精度、拓展全球卫星导航应用市场的巨大潜力而成为研究热点。面向低轨导航增强技术,首先总结了低轨卫星的最新态势,梳理了卫星导航增强服务模式,并详细分析了低轨通信星座导航精度增强及导航信号增强两方面的技术动向。在此基础上,重点针对导航增强频率的兼容互操作、通信/导航信号一体化设计、高动态导航增强信号捕获与跟踪等方面,对低轨卫星导航增强体系未来的发展机遇以及面临的技术挑战进行了展望。此外,还基于美国铱星系统实收采集信号开展了定位服务性能试验分析,结果表明600个历元内收敛定位精度优于100m,相关分析成果可为我国低轨导航增强建设提供参考和借鉴。     

Quick position determination using 1 or 2 LEO satellites

We describe an approach for a medium accuracy position determination of a user terminal (UT) on the Earth surface, using one or two low Earth orbit (LEO) satellites. The positioning approach is intended to meet the requirements of a worldwide personal communications system using LEO satellites. The basic two requirements are: (1) immediate positioning, and (2) horizontal position accuracy of the order of 10 km. Those requirements stem from the need of the system to know the user's approximate location before it connects his call. The approach makes use of the two-way communication with the UT, which can receive, transmit, and make its own measurements. Delay and Doppler measurements are used in order to enable instantaneous positioning with one satellite, and in order to achieve unambiguous positioning with two satellites. A simplified Globalstar satellite constellation and the expected Globalstar delay and frequency measurement accuracy are used to demonstrate the concept and to evaluate its performances