基于实测数据的大气密度反演方法及应用研究

针对中长期的平均大气密度反演问题,以我国典型遥感卫星运行轨道数据作为基础,采用实测数据反演大气密度并对MSIS00模型进行局部修正,并将修正后的模型应用于遥感卫星推进剂的预算,仿真结果表明：得到的修正大气模型具有较高的准确度,且采用修正后的大气模型得到的轨道维持推进剂消耗比修正前减少了近35%,达到了在保障卫星安全运行基础上最大限度降低整星质量的目的。研究结果还可用于我国未来航天器的高精度轨道预报、推进剂预算、碰撞规避等任务。     

一种提高空间实验室定轨精度的方法

以近地航天器轨道动力学为基础,建立变阻力系数大气摄动模型,设计了求解变阻力系数的算法。然后利用天宫一号飞行器的测轨数据进行计算,分析了空间实验室飞行高度的轨道特性,其中包括：大气模式密度误差、变阻力系数与空间环境关系、定轨残差和星历误差。在空间环境平静和磁暴的条件下,制定了多种求解变阻力系数的策略,解决了空间实验室长弧段定轨精度受限的问题,并在空间环境平静条件下实现了优于10米的定轨精度,在磁暴条件下实现了优于20米的定轨精度。     

地磁扰动期间低轨目标轨道预报的误差修正

针对地磁扰动期间大气密度变化造成的低轨目标较大的轨道预报误差,提出一种根据POES卫星观测的极光能量注入数据改进短期轨道预报的方法。分析表明CHAMP卫星的沿迹大气密度及轨道衰减与极光能量注入具有较好的相关性。通过线性回归方法,建立轨道半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式,并使用修正后的阻力调制系数取代两行元(TLE)中的该系数带入SGP4模型进行位置预报。该方案考虑了外推过程中地磁扰动引起的大气密度响应,能更准确地反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。将其应用到2008年CHAMP卫星和国际空间站的轨道预报中,结果表明,半长轴和位置的预报误差可分别降低50%和30%左右。进一步对不同年份、不同轨道高度的目标进行了预报误差修正的分析,验证了该方法的普适性。     

基于精确星光大气折射观测模型的轨道摄动研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航方法,改进了现有的大气密度模型和固定高度(25km)的观测模型,建立了自适应连续高度(20km～50km)的星光折射观测模型,并在此观测模型的基础上深入分析研究了影响导航精度的各种轨道摄动力,包括地球形状各阶摄动力、不同高度的大气阻力摄动力、太阳光辐射压力等.提出一种精简的大气模式--静止变标高球面大气,解决了由于高层大气密度的求解复杂,使大气阻力摄动模型不精确的问题,由此取得了较好的导航定位精度.利用UKF和EKF两种不同非线性算法,对考虑各种摄动力后的导航定位精度进行全面的计算机仿真实验,并就仿真结果进行了误差分析,同时研究了各种有关参数对导航精度的影响.     

Orbit design for future SpaceChip swarm missions in a planetary atmosphere

The effect of solar radiation pressure and atmospheric drag on the orbital dynamics of satellites-on-a-chip (SpaceChips) is exploited to design equatorial long-lived orbits about the oblate Earth. The orbit energy gain due to asymmetric solar radiation pressure, considering the Earth's shadow, is used to balance the energy loss due to atmospheric drag. Future missions for a swarm of SpaceChips are proposed, where a number of small devices are released from a conventional spacecraft to perform spatially distributed measurements of the conditions in the ionosphere and exosphere. It is shown that the orbit lifetime can be extended and indeed selected through solar radiation pressure and the end-of-life re-entry of the swarm can be ensured, by exploiting atmospheric drag.     

分布式卫星轨道构形的大气摄动分析及修正方法

在低轨道运行的分布式卫星受大气摄动的影响,其轨道构形很快遭到破坏,环绕卫星的相对运动轨迹中心不断发生漂移。本研究的目的在于建立一种降低大气摄动对分布式卫星轨道构形影响的补偿方法,以使分布式卫星的轨道构形能够更好地自然维持。研究基于考虑高度变化和太阳周日变化的大气密度模型,得出分布式卫星不同初始相位环绕卫星的长半轴摄动方程。并提出一种补偿大气摄动影响的长半轴修正方法。仿真结果显示,采用此大气摄动补偿方法能够在给定时间内大大降低大气摄动的影响,从而显著提高分布式卫星轨道构形的自然维持能力。     

高层大气模型对空间站轨道漂移和寿命的影响分析

本文以轨道摄动分析方法一阶理论为基础，其中大气阻力摄动采用数值积分方法，给出一种可利用各种大气模型进行轨道摄动分析的计算方法，并利用三种高层大气模型（ＣＩＲＡ—７２，ＣＩＲＡ—８６和ＤＴＭ）和三个太阳活动水平（Ｆ１０．７＝１００，１５０和２００）分析比较了大气阻力振动对高度为４００ｋｍ的空间站轨道漂移和寿命的影响，以及估算修正轨道漂移所需的能量。给出的定量分析结果将为空间站或航天飞行器的轨道设计和能量估算提供依据。     

地球低纬区边缘大气密度的预测

基于NRLMSISE-00大气模型讨论日地空间环境对地球低纬度地区边缘大气密度的影响,提出预测地球低纬地区边缘大气日平均密度的简化模型法和经验法。简化模型法利用地磁活动和太阳活动的11年准周期特性,通过预测地磁活动和太阳活动的变化规律以预测地球边缘大气密度。经验法则直接利用第23个太阳活动周期的日平均密度变化曲线经过傅里叶变换处理得到日平均密度变化规律曲线,然后将曲线拟合得到不同高度下的密度昼夜波动规律,再利用预测得到的日平均密度即可计算出具体当地时间对应的密度情况。误差分析说明经验预测法比简化模型法精度更高。两种方法均具有较高的精度并且使用方便,可用于地球边缘大气密度的工程化预测计算。     

Estimation of a Satellite Lifetime in Orbit

An approximate technique for calculating the satellite orbit decay under the aerodynamic drag effect for arbitrary values of the orbit eccentricity and for the realistic model of the altitude dependence of the atmospheric density is proposed.     

太阳同步回归轨道的长期演变与控制

近地轨道的遥感卫星绝大部分都采用太阳同步回归轨道。这类轨道由于受到大气阻力的影响,半长轴将不断地衰变并导致地面轨迹的东漂,为保持回归特性需周期性地对半长轴进行调整。另一类长期变化是太阳引力引起的倾角变化,这是太阳同步轨道特有的。倾角长期的变化又进一步导致回归轨道的标称半长轴和降交点地方时的相应变化。文章给出了这些变化的解析模型以及轨道控制的策略。     

一种立方星编队重构多脉冲机动规划方法

针对立方星轨道机动能力约束,提出一种基于相对轨道根数动力学模型的多脉冲机动规划算法。对于相对轨道面内各分量之间的控制耦合问题,基于“先控制相对形状、后修正迹向距离”的策略,提出了满足速度增量约束的多脉冲机动规划算法;分析了近地轨道 J 2 摄动和大气阻力摄动对相对轨道的影响,并基于线性化的状态转移模型提出了迭代优化策略,以降低立方星在摄动影响下的轨道机动误差。仿真结果表明,所提出的多脉冲机动规划算法在不同任务条件下均可获得有效的机动规划,迭代优化策略可有效地提高终点位置的精度,在基于高精度轨道递推搭建的任务仿真中也验证了算法的有效性,可用于立方星编队构建和重构任务。     

摄动条件下椭圆轨道卫星相对运动研究

基于严格定义的相对轨道要素,考虑非球形引力、大气阻力和三体引力等摄动力的影响,用拟平均根数法添加相关摄动项,推导了椭圆轨道摄动条件下无奇点的卫星近距离相对运动模型。分析了考虑摄动力的影响时相对轨道要素的特性,并据此分析了各摄动力对卫星相对运动轨道预报精度的影响,比较了有无摄动的相对运动模型与精确解间的误差。算例验证了方法与结果的正确性和有效性。研究结果完善了相对轨道要素的基本理论,并将其适用范围拓展至摄动条件下的椭圆基准轨道卫星相对运动研究领域。     

Electrostatically inflated gossamer space structure voltage requirements due to orbital perturbations

This paper explores the concept of using electrostatic forces for deployment of gossamer space structures. The Electrostatically Inflated Membrane Structure (EIMS) uses two conducting membranes that are interconnected through membrane ribs. An absolute electrostatic charge is applied to the structure through active charge emission. This causes repulsion between layers of lightweight membranes that inflates the EIMS system and tensions the membranes. Assuming positive tensions, the EIMS system is modeled as a rigid system. Typical orbital perturbations are considered such as solar radiation pressure, differential gravity, and atmospheric drag which may compress the structure leading to shape destabilization. Restricting the analysis in this paper to flat membranes, the minimum potentials required to exactly compensate for the worst case scenario of differential solar radiation pressure at geostationary altitudes are estimated to be on the order of hundreds of volts. In low Earth orbit, voltage magnitudes of several kilovolts are required to reach an inflation pressure to offset the normal compressive drag pressure.     

ΔDsat,a QB50 CubeSat mission to study rarefied-gas drag modelling

A CubeSat mission to study the impact of flow incidence angle, surface material and surface roughness on gas–surface interactions on spacecraft in low Earth orbits has been designed. To accomplish this scientific goal the CubeSat deploys a variable geometry aerofoil capable of exposing different surfaces to the flow at different incident angles. By using the on-board GPS measurements and an orbit determination technique the drag experienced by the CubeSat can be estimated. The CubeSat has been designed to be part of the QB50 mission, and hence it carries a sensor that can take in-situ measurements of the atmosphere. This is then used to estimate the atmospheric density and hence to extract information on the drag coefficient. To minimise any bias present in the measurement chain a differential approach is used. Therefore no absolute drag coefficients are estimated, instead, ratios of drag coefficients are computed. This allows direct comparisons of the drag coefficients of different materials, different surface roughness or different incident angles. Simulations indicate that this CubeSat mission will be able to obtain drag coefficient ratios with an uncertainty level of less than 5%.     

采用弱攻角补偿与脱敏设计的火星进入段制导

为提升火星进入段存在多种扰动时的制导末端精度,在现有三自由度脱敏设计的基础上,提出针对大气密度及升阻力系数波动的弱攻角补偿方法。通过攻角调整,协调升、阻力加速度测量值相对理论计算值的偏离程度,使加权形式的偏离程度指标趋近于1,从而降低气动参数波动对制导精度的影响。相平面分析和反证法证明了攻角调整过程的稳定性。蒙特卡洛仿真结果表明,该方法可达到较高的纵向末端状态精度。     

地球反照对低轨卫星太阳电池阵的影响分析

从太阳电池阵接收的光源分析入手,进行地球反照辐射对太阳电池阵的影响分析,提出基于空间几何的地球反照辐射分析方法,建立地球反照辐射的影响程度模型,通过海洋二号(HY-2)太阳同步轨道卫星在轨遥测数据进行了验证。研究结果可为低轨遥感卫星太阳电池阵在轨数据分析和太阳电池阵设计提供一定参考。     

利用偏移矩阵提高CBERS图像预处理几何定位精度的方法研究

偏移矩阵是指由于传感器与卫星平台之间的安装偏差而导致的传感器坐标系与卫星平台坐标系之间的旋转矩阵 ,用于校正传感器与卫星平台坐标系之间不重合而导致的成像偏差。针对CBERS卫星数据处理系统只能使用星上下传姿态和星历数据进行预处理 ,而这些姿态和星历数据也可能存在系统误差的情况 ,我们把预处理图像所有引入误差 ,包括系统安装误差、姿态和星历数据误差、地面处理模型误差等 ,综合导致的成像偏差 ,归结为一个旋转矩阵来校正 ,该旋转矩阵定义为偏移矩阵。当系统成像存在一个较大的系统误差时 ,把该偏移矩阵代入几何校正处理模型中 ,可以得到很好的校正效果。文章方法在CBERS卫星的在轨测试中得到实施并取得较好的效果 ,增加偏移矩阵校正后 ,图像预处理几何定位精度得到显著提高     

中国巴西地球资源卫星的轨道捕获和轨迹交会控制

中巴地球资源卫星一号(CBERS-1)是中国和巴西合作研制的第一颗运行在太阳同步轨道上的地球资源卫星.CBERS-1于1999年10月14日由中国自行研制的长征运载工具按预定计划准时发射,进入设计轨道,随后通过轨道捕获、星下点轨迹控制和多次轨道保持机动等一系列轨道测控操作,该卫星已按遥感用户的要求正常运行在高精度的太阳同步、回归冻结轨道上.本文简要阐明CBERS-1轨道控制系统的任务目标、系统结构、轨道控制策略、控制性能、飞行软件和在轨操作以及飞行结果.     

基于受摄轨道模型的小卫星轨道摄动分析研究

小卫星在实际运行中受到多种摄动力的作用,这会对其轨道造成不同程度的影响,因此在小卫星的轨道设计与控制中,摄动是必须考虑的重要因素。本文以500km高的小卫星太阳同步轨道为研究对象,运用轨道摄动的基本理论,估计了地球非球形引力、大气阻力、太阳光压及第三体引力的量级并进行比较;建立小卫星轨道摄动分析模型,并在此模型的基础上,利用计算机仿真技术,对小卫星轨道摄动问题展开仿真研究,验证了几种主要摄动力的量级估计的结果,分析比较了几种主要摄动力对小卫星运行轨道的影响程度及规律,本文结果对小卫星轨道设计与控制具有很好的参考价值。     

中长期轨道预报中大气阻力系数补偿算法的研究

利用地磁平静期的CHAMP卫星精密星历对多个弧段的大气阻力系数进行解算,找到了适用于轨道预报的最优系数,分析了最优阻力系数与地磁指数、迹向残差的关系,利用线性回归分析建立了大气阻力系数补偿算法。针对中长期轨道预报的需求,该算法能够降低定轨弧段较短条件下阻力系数的解算误差。将该补偿算法应用于不同时期CHAMP卫星和天宫一号的轨道预报,验证了该算法的正确性和普遍适用性,结果表明预报精度能够提高20%以上。