人造卫星运动理论中的月球位置计算方法

我们把月球看成一个受太阳摄动的远地卫星,采用平均根数法,给出了月球轨道根数的长期摄动和周期摄动,从而得到了人造地球卫星运动二阶理论中所需要的月球位置计算公式。文[1]所给出的人造卫星日、月摄动二阶解,需要知道日、月的“精确位置”,其精度为10~(-4)。在这样的要求下,太阳轨道(即地球轨道)作为椭园(e≈0.0167)就行了;而月球     

摄动力对静止卫星轨道根数的影响

给出了静止卫星在地球非球形引力、日月引力和光压作用下,以无奇点轨道根数为变量的摄动微分方程组．根据静止卫星轨道小倾角和小偏心率的特点进行了简化,用平均根数法求出摄动微分方程组的解．利用方程组的解计算各种摄动因素对静止卫星轨道根数的影响的量级估计,并用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ７（８）阶方法求出卫星运动微分方程组的数值解,通过解析解与数值解的比较,说明解析解的精度为１０－５量级     

地球的潮汐力

在理论推理和数理分析的基础上 ,获得了地球产生周期性涨落变形的潮汐力表达式 .由潮汐力导致的潮汐 ,其波长和振幅随地球离黄道面的远近不同而变化 ,随着距离增加 ,波长与振幅逐渐减小 ,但同一环线上振幅各点一致 ,周期约 1 2 h.地球的胀缩特性和沿轨道径向的变化速度 ,是影响地球潮汐能量的决定因素之一 ,地球公转轨道的 2 68°1 5′处为潮汐能量最大处 .地球的潮汐力是由椭圆轨道运动产生的 ,由于月球的轨道运动是以地球为焦点 ,所以在月球上可以产生受地球影响的潮汐 ,而不可以产生相反的潮汐 ,因为海水或岩浆没有以月球为焦点的轨道运动     

大偏心率椭圆轨道星上轨道外推的参数化模型

众所周知,数值方法和分析方法都可以用于轨道预报.一般而言,采用数值方法可以获得更高的精度,采用分析方法可以达到更高的效率.对于近圆轨道卫星,已有许多成熟的数值方法和分析方法可以用于轨道预报.而对于大偏心率椭圆轨道卫星,这些方法都有各自的局限性.传统的数值积分器工作效率较低;分析方法中多采用简化的力模型,因而可以达到的精度有限.为实现大偏心率椭圆轨道卫星的星上轨道预报,本文提出了一种解决方案.其核心思想是基于摄动分析解的表达式,尝试构造拟合公式,用不同的频率项反映摄动影响下轨道根数的周期变化和长期变化.最终以拟合和计算的过程代替求解微分方程,建立参数化模型,从而实现轨道外推.应用此模型时,将首先通过拟合公式对真近点角f、近点角距ω、升交点经度Ω、轨道倾角i和地心距r进行拟合与计算,然后利用这5个轨道根数计算出卫星在惯性坐标系下的位置矢量,得到最终的预报结果.为检验方法的可行性,本文利用该参数化模型对33颗闪电轨道卫星进行了轨道外推.对每颗卫星分别进行28组试验,每组算例的外推弧段为3天.数值试验结果表明,轨道根数f,ω,i与r的计算结果受到轨道偏心率的影响.3天内,轨道外推的位置精度一般约为百米级.     

卫星编队飞行的动力学特性与相对轨道构形仿真

为了克服 Hill方程的局限性 ,利用轨道根数描述卫星编队飞行 ,从理论上给出了长期编队所需的条件 ,包括相对位置和相对速度的关系 ,以及和各卫星相对轨道根数之间的关系 ;理论上证明了要长期近距离编队卫星轨道周期必须相同。仿真了各种不同轨道根数下的相对运动轨迹 ,与定性的理论分析进行比较 ,说明了轨道根数描述方法的优越性。方法可适用任意偏心率的椭圆轨道 ,将为飞行器编队飞行的轨道设计提供理论参考。不考虑摄动时轨道根数接近的飞行器不需主动控制而可长期保持近距离编队飞行     

编队飞行卫星相对运动的零J2摄动条件

地球形状摄动对卫星编队飞行的相对运动有很大影响,会使卫星的相对轨道发生转动或漂移。该文推导了主、从星沿小偏心率轨道运行情况下的相对轨道的零J2摄动条件。如果编队卫星的交点周期和节线的进动速率相等,那么J2摄动对相对运动没有影响,卫星可长期保持编队飞行。在选取的主、从星轨道根数之差为小量的前提下,给出了零J2摄动的一阶近似条件的解析表达式。仿真结果表明,当编队卫星的相对运动满足零J2摄动的一阶近似条件时,卫星相对运动轨道构形的漂移明显减少。     

电离层的朔望月周期变化

 电离层应该存在月球引力引起的朔望月周期变化,但一直没有观察到。2004年6月29日,法国发射了地震电磁监测卫星DEMETER,它是近极地太阳同步圆轨道卫星。本文将DEMETER卫星搭载的朗缪尔探针观测数据分为日侧半轨数据和夜侧半轨数据两组,对两组数据进行重采样和缺失数据填补,组织成日侧轨间信号和夜侧轨间信号,然后分别对这两种信号进行太阳日周期变化的滤除和不同长度周期信号信噪比的计算,进而绘制这两种信号的信噪比-周期变化曲线。在日侧半轨的电子密度、离子密度和电子温度中观察到了清晰的朔望月周期变化,而在夜侧半轨的电子密度、离子密度和电子温度中却没有观察到朔望月周期变化。解释是：月球引力会引起大气的朔望月周期涨落,在日侧半轨,光电离造成电子密度、离子密度、电子温度在高度方向上产生较大的变化梯度,在同一高度太阳同步轨道上运行的DEMETER卫星自然会观测到这种涨落变化,而在夜侧,光电离停止,电子密度、离子密度、电子温度在高度方向上的变化梯度很小,DEMETER卫星自然不会观测到这种涨落变化。     

一种基于神经网络的中制导改进算法

针对地球扁率影响下的大气层外导弹中段制导问题,提出了基于BP神经网络的模型预测改进算法,并且创新使用轨道偏差解析解来构造训练样本集。首先,利用极点变换方法把弹体受到的J_2项摄动引力优化分解为与运动轨迹相关的扰动函数;然后,采用偏差状态空间的转移矩阵,建立起导弹在J_2项摄动作用下的轨道偏差公式;最后,利用偏差公式构造取值广泛的训练样本集并训练BP神经网络,从而建立起关于虚拟目标信息的预测模型,计算出中段制导控制所需的增益速度矢量。该模型的优点是利用极点变换和状态转移矩阵直接求解J_2项摄动偏差,避免了进行大规模的数值积分运算;神经网络拥有强大的学习能力,保证了预测模型的全面性及精确性;BP神经网络可以预先离线训练、学习,大大缩短了计算时间。与传统Lambert迭代补偿修正方法相比,改进型BP神经网络补偿算法可以同时满足实时计算速度及计算精度的双重要求,具有较强的实际工程意义。     

关于建立涡旋引力场及“水星进动”与“岁差”运行机制的统一

依据引力场与电磁场应具有的对称性,以及引力场理论应具有的完备性,即以库仑力静电场与万有引力场的对称性,以及电流产生磁场与运动物体产生涡旋引力场的对称性,建立了涡旋引力场.将万有引力与涡旋引力对行星运动的综合作用,对水星进动和地球岁差运行机制的统一性作了论证;对静止卫星轨道摄动作了分析;对太阳系多个行星的岁差作了推算;对章动的物理意义和定义作了新的探讨;并解释了涡旋引力场与旋涡星系蝶形结构形成的关系.经对涡旋引力场理论建立及与实际结合的一致性的论证表明:运动物体将产生涡旋引力场,以万有引力和涡旋引力场组成的引力系统更符合太阳系行星运行的实际,以及本文涡旋引力场理论的建立过程及结论的合理性.并在此基础上,建立了由万有引力和涡旋引力综合作用下的行星轨道模型.     

北斗GEO卫星广播星历的直接拟合算法研究

针对因北斗地球静止轨道(GEO)卫星的小倾角特性,经典全球卫星定位系统(GPS)广播星历拟合算法不能直接应用于北斗GEO卫星这一问题,提出了一种基于无奇点变换的北斗GEO卫星广播星历直接拟合算法.该算法采用一组无奇点轨道根数代替经典轨道根数,解决了由GEO轨道的小倾角特性引起的经典广播星历拟合过程中法化矩阵奇异的问题;同时,避免了接收机GEO广播星历参数用户算法中坐标旋转的过程,减少了GEO用户算法的计算步骤.经仿真验证:该算法可很好地适用于北斗GEO卫星广播星历拟合,且拟合精度高,完全满足接收机导航定位的精度.但对于圆地球轨道(MEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,该算法实用性较差,仍须进一步研究和改进.     

J2摄动情况下编队飞行卫星相对运动精确解析模型研究

给出了一种描述J2摄动情况下编队飞行卫星相对运动的精确解析模型．在近圆轨道情况下引入无奇点变量，得到了参考星相对运动坐标系中从星运动的一般形式，进一步推导了J2摄动影响下初始时刻无奇点平均／瞬时轨道要素偏差表示的任意时刻编队飞行卫星相对动力学解析方程．仿真结果表明，编队飞行相对运动解析模型的相对位置误差在运行14圈内可以达到m级，为经典Hill方程对应误差的1％左右，能够精确预报编队队形的变化规律，为提出有效队形控制策略提供了理论基础．同时计算量小，适合于编队卫星星上自主运算和自主方案规划．     

钱德勒极移的激发机制研究

根据宋晓东等的地球内核差异旋转研究成果,提出“月球轨道运动改变地球各圈层角动量”的物理模型。太阳系星球（尤其是木星）在轨道运行过程中对月球的摄动会影响月球的轨道运动,月球轨道运动会改变地球各圈层角动量,在形成地核差异旋转的同时,也使地球液核远月半球的角动量与近月半球的角动量存在巨大落差,造成地轴的晃动,激发地球的钱德勒极移。     

J2摄动下基于平均轨道要素差的集群航天器空间圆形编队设计

集群航天器是通过无线连接方式构成的虚拟航天器系统,考虑J2摄动下其在太阳同步轨道的空间圆形编队设计,对满足其模块间能量传输、数据交互的需要和应用需求具有重要意义.基于主、从模块平均轨道要素差建立了相对运动模型,并给出了空间圆形编队的详细设计步骤;在零J2摄动条件不再适用时,通过定量分析J2摄动对该编队构形的影响,提出了相应的修正公式;将模块修正后的平均轨道要素转换为初始时刻密切轨道要素确定了初始编队构形.采用无奇点的新四元数轨道要素进行J2摄动分析,仿真结果验证了设计方法的有效性.     

嫦娥一号绕月卫星对月球重力场模型的优化

月球重力场是揭示月球内部结构和物质组成的重要信息,探测月球重力场仍然是绕月探测任务中的重要科学目标之一．在已有月球重力场模型基础上,利用嫦娥一号探测数据,并结合“月女神”一号探测器、月球勘察者（LP）及早期月球探测器轨道跟踪数据,本文解算得到了高精度月球重力场模型CEGM02（100阶次）,在CEGM01月球重力场模型基础上对模型进行了优化．对新模型的分析结果表明,嫦娥一号卫星轨道跟踪数据的融入,使得对月球重力场长波长部分的解算精度有显著提高,相比于SGMl00h模型在5阶以内精度提高约2倍,在10阶以内有明显贡献,在20阶内都有贡献．初步判断这是由于嫦娥一号卫星轨道动量轮卸载的频度不足“月女神”的1／4,而同时轨道相对较高所导致．文中结合CEGM02和激光测月观测结果解算了月球平均转动惯量0．393446（±0．000006）,对月球内部构造研究提供了更强的约束．     

多星共位策略研究

分析了各种摄动力对静止卫星轨道根数的综合影响和共位多星相对距离与轨道根数的关系,提出并论证了多星共位策略．并对经度分离共位策略进行了定量研究,给出了同一窗口内共位卫星个数与控制周期及半长轴误差的数量关系,通过仿真计算验证了共位策略的可行性     

轨道根数对极轨气象卫星数据接收的影响

如果轨道根数不准确,由其计算出的地面数据接收站的天线程序控制跟踪数据就存在偏差,会导致天线不能准确跟踪过境卫星从而无法获取卫星数据.以风云三号数据接收为例,给出了轨道根数的计算方法,分析了由错误轨道根数导致的接收卫星数据失败的原因,从理论和实践上指出在极轨卫星数据接收中轨道根数的重要性.提出事先检验轨道根数,并纳入制定极轨卫星数据接收策略的必要性.     

椭圆参照轨道的理想卫星编队队形设计

为了建立椭圆参照轨道卫星编队飞行的理想编队队形,该文从参照轨道要素描述的精确相对运动方程出发,概括出椭圆参照轨道的编队运动特点。依据这些特点,找到了几类具有特殊几何构形的理想编队轨道,并分析设计出由三颗星组成的用于遥感探测的3种编队队形。利用参照轨道要素方法能较方便地找到可能存在的理想编队轨道和队形,并解出相应的轨道要素;为设计有实用价值的考虑摄动的自然编队轨道和进行编队初始化提供科学依据。     

面向任务要求的编队轨道设计及基线性能分析

为了满足编队系统空间基线稳定性要求,在考虑J2摄动基础上提出了一种面向任务要求的编队轨道设计方法.在初步确定编队轨道参数后对从卫星平均半长轴进行了小量修正,从而使得系统满足稳定性要求,检验了编队系统空间基线性能.研究结果表明,该方法设计的编队初始轨道参数能使空间基线保持基本稳定,能够满足地面高程测量(DEM)和慢动目标检测(GMTI)的任务要求.     

J2项摄动对分布式天基雷达波束形成的影响

分布式天基雷达小卫星不可避免地要受到摄动的影响,摄动不仅对卫星编队有影响,对雷达稀疏阵列的波束形成也会产生很大的影响。从卫星相对运动方程出发,利用轨道摄动方程,并引入编队构型参数,根据分布式天基雷达对各成员卫星间距小而稳定的要求,对采用空间圆编队的分布式天基雷达卫星编队进行了仿真。利用在J2项摄动影响下的分布式天基雷达卫星编队的仿真结果,进行了分布式天基雷达波束形成的仿真,分析了J2项摄动影响下波束指向的偏移量,为研究分布式天基雷达波束形成技术提供了重要的参考依据。