基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位

针对分布式SAR卫星编队星间基线的高精度确定问题, 提出了基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位方法. 根据CDGPS原理及基于轨道动力学模型的星间相对定位原理,在CDGPS测量的基础上, 引入轨道动力学模型提供的先验约束信息, 对长弧段的观测数据进行解算, 克服了运动学逐点解算方法在观测几何较差或观测数据不足情况下无法应用的缺点. 此方法能够有效抑制测量中的随机误差, 提高相对定位精度, 提供了一种可实现mm量级星间基线确定的技术途径. 通过仿真计算验证了动力学方法的有效性. 计算结果表明, 动力学方法可以显著提高相对定位精度. 相对于运动学方法, 前者L1固定解的精度提高了68%, 而消电离层固定解的精度提高了95%.      

基于太阳敏感器的静止轨道卫星轨道估计方法研究

为解决目前通过星上配置敏感器进行地球同步轨道卫星自主轨道估计的问题,利用太阳敏感器和红外地球敏感器的测量信息进行轨道估计．根据地球静止轨道的特点,结合Hill方程,利用太阳敏感器和红外地球敏感器的测量信息以及轨道的摄动特性,建立导航系统的状态方程和测量方程．数学仿真结果表明,该方法可以较准确地估计出卫星的经度漂移,是一种可行的地球同步轨道卫星自主导航方法．     

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度,传统几何定轨法精度受限,只能达到亚米级,而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解,定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能,利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品,对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算,与事后精密轨道结果进行比较,分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据,切向与径向的定轨精度可达2cm左右,法向为5cm左右,较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。     

时间与燃料约束的参数自主寻优变轨滑模控制

航天器相对运动轨控采用滑模控制具有较好的抗扰能力,但参数设置复杂。为贴近工程实际,引入燃料最优约束和寻优算法,提出一种综合考虑时间、燃耗以及误差的参数自主寻优滑模控制。首先,基于线性相对运动方程与指数趋近的滑模控制,建立相对运动滑模控制器模型,并由能量最优的轨迹规划器给出收敛约束时间,实现高效机动;然后,分析滑模控制器中可调参数与时间、误差的约束条件,制定了参数量级寻优规则;最后,通过惯性权值改进的粒子群算法,将误差允许范围内的最少燃料消耗作为寻优评价标准,输出最优量级与系数组合的控制参数,实现滑模的最优控制。仿真表明,使用粒子寻优器得到的参数组合,可使滑模偏差控制器在规定时间内通过最小燃料消耗令位置与速度误差稳定收敛,增加航天器在轨寿命。     

嫦娥一号卫星飞行控制模拟器的设计与研制

飞行控制模拟器,简称飞控模拟器,是飞控中心用来验证飞行程序和地面测控方案,训练操作人员的模拟仿真系统,为系统演练构造一个尽量逼真的任务环境.介绍了嫦娥一号飞控模拟器的功能、结构和使用模式.提出了带轨道根数跳时的新方法,使模拟器具备加速跳时至任意轨道段的能力,提高了任务演练的灵活性.建立了高精度轨道动力学模型,并首次在模拟器中直接嵌入了部分星载软件,大大提高了模拟器的保真度.同时专门设计了图形化的集中监控软件,方便了用户的操作和管理.该模拟器在嫦娥一号卫星任务准备中得到了充分的应用,为嫦娥一号卫星任务的圆满完成奠定了坚实的基础.根据该模拟器的开发经验,对未来模拟器的研制提出了几点建议.     

Halo轨道族延拓方法及特性研究

对Halo轨道周期和运动范围等特性的研究是平动点任务设计的首要前提。针对大幅值Halo轨道和完整Halo轨道族的应用需求及其数值计算问题,面向当前应用广泛的地月系和日-地月系共线平动点,基于延拓法研究了圆型限制性三体问题下的Halo轨道族数值计算和运动学特性,给出了Halo轨道族延拓计算方法。数值仿真了族参数选择对轨道族计算的影响,得到了地月系和日-地月系共线平动点的大范围南北Halo轨道族,同时给出了轨道族的轨道周期变化和空间位置变化特性。研究结果表明,固定延拓步长下,L1点Halo轨道族应选择会合坐标系x坐标作为族参数,L2点Halo轨道族应选择y方向速度或者周期T作为族参数。方法适用于任意三体系统平动点的周期轨道族计算,特别是对其中的状态转移矩阵简单修改后可用于完整力模型下的Halo轨道（族）的数值设计。     

Long-wavelength lunar gravity field recovery from simulated orbit and inter-satellite tracking data

As has been demonstrated recently, inter-satellite Ka-band tracking data collected by the GRAIL (Gravity Recovery And Interior Laboratory) spacecraft have the potential to improve the resolution and accuracy of the lunar gravity field by several orders of magnitude compared to previous models. By means of a series of simulation studies, here we investigate the contribution of inter-satellite ranging for the recovery of the Moon’s gravitational features; the evaluation of results is made against findings from ground-based Doppler tracking. For this purpose we make use of classical dynamic orbit determination, supported by the analysis of satellite-to-satellite tracking observations. This study sheds particularly light on the influence of the angular distance between the two satellites, solar radiation modeling and the co-estimation of the lunar Love number k₂. The quality of the obtained results is assessed by gravity field power spectra, gravity anomalies and precision orbit determination. We expect our simulation results to be supportive for the processing of real GRAIL data.     

基于多冲量能耗估算的小推力任务窗口搜索

针对小推力轨道设计中任务窗口参数具有范围跨度大、非连续性强、对设计结果影响显著等特点,提出了一种基于多冲量能耗估算的任务窗口搜索方法.该方法基于多冲量轨道和小推力轨道的能耗一致性,先由朗伯特两冲量轨道经过数次迭代扩展快速获得多冲量轨道,再通过多冲量轨道能耗估算对任务区间进行全局栅格搜索,最终得到任务窗口的可行区域.仿真结果表明:1)该方法同时适用于交会和飞越任务;2)同朗伯特两冲量相比,它与小推力轨道能耗的一致性更强;3)同Sims和Flanagan最优多冲量相比,计算时间缩短了1～2个量级,计算效率显著提高.地球—火星交会任务的仿真应用表明,该方法只需8.59s即可获得任务窗口的可行区域,进而快速给出小推力最优转移轨道,验证了该方法的有效性.     

Enhancing the kinematic precise orbit determination of low earth orbiters using GPS receiver clock modelling

Clock error estimation has been the focus of a great deal of research because of the extensive usage of clocks in GPS positioning applications. The receiver clock error in the spacecraft orbit determination is commonly estimated on an epoch-by-epoch basis, along with the spacecraft’s position. However, due to the high correlation between the spacecraft orbit altitude and the receiver clock parameters, estimates of the radial component are degraded in the kinematic approach. Using clocks with high stability, the predictable behaviour of the receiver oscillator can be exploited to improve the positioning accuracy, especially for the radial component. This paper introduces two GPS receiver clock models to describe the deterministic and stochastic property of the receiver clock, both of which can improve the accuracy of kinematic orbit determination for spacecraft in low earth orbit. In particular, the clock parameters are estimated as time offset and frequency offset in the two-state model. The frequency drift is also estimated as an unknown parameter in the three-state model. Additionally, residual non-deterministic random errors such as frequency white noise, frequency random walk noise and frequency random run noise are modelled. Test results indicate that the positioning accuracy could be improved significantly using one day of GRACE flight data. In particular, the error of the radial component was reduced by over 40.0% in the real-time scenario.     

基于视线矢量测量的火星接近段自主导航算法

为了实现中国首次火星探测接近段的自主导航,设计一种基于视线矢量测量的自主导航算法,以测量火星视线单位矢量为唯一观测量,在轨道动力学及星-火间几何关系的基础上,详细推导出了探测器位置矢量模的表达式,并进一步推导出探测器位置及速度矢量的表达式,建立自主导航算法.通过仿真验证,分别对闭合轨道和双曲线轨道下基于三视线测量自主导航算法的表现进行比较分析.