基于Bayes算法估计的航天器轨道确定方法研究

介绍了卫星轨道动力学模型和观测模型,建立了卫星轨道确定算法,推导了在已知初始历元某一类轨道根数的先验信息下的Bayes估计算法,并通过仿真实验证明了算法的可行性。理论推导和仿真证明,该算法能有效利用历史数据的先验信息,缩短定轨迭代时间,提高轨道初值确定精度。     

基于高/低轨监视平台的GEO卫星定轨精度比较

针对传统地基监视系统对地球同步轨道(GEO)卫星静地测量模式不利于获取其态势信息,而空间目标监视平台利用其快速轨道运动、增强观测几何强度和GEO卫星动力学模型的约束作用,有利于对GEO卫星环带的跟踪、监视和编目处理这一问题,分析了高、低轨平台与其观测模式,采用了数值微分法计算变分方程系数阵的定轨算法,统计了光学观测误差对定轨结果的影响.仿真计算表明,高、低轨平台对GEO卫星的定轨精度均在公里级,低轨平台对GEO卫星的定轨精度好于高轨监视平台,观测系统误差是定轨误差的主要来源.     

基于星间测距的导航卫星自主定轨新算法

受限于星载计算机处理能力,目前导航卫星自主定轨多采用序贯、分布式的定轨算法.但该类算法在节省计算资源的同时存在滤波发散与精度指标快速下降的问题,尤其在链路数量较少的情况下更为突出.本文提出一种快速、稳定的集中式自主定轨新算法.该算法借助空时分多址(STDMA)体制强大的高频星间测距功能,不依赖于动力学建模,在短弧内将卫星的真实轨道与长期预报轨道的差异用高阶次多项式描述,无需轨道积分和状态转移矩阵计算,算法极为简洁,大大节省了计算资源.同时,此算法还通过约束卫星升交点赤经实现了无锚固站支持条件下的自主定轨,减少了对地面支持系统的依赖程度.最后,仿真北斗全球导航系统星间链路测量,论证了星间链路数量、星间测量噪声对导航星座自主运行性能的影响,并对其计算量进行了理论分析.仿真结果证明,本文算法无误差积累,稳定性较高,在链路数少至3条时自主定轨也能够平稳运行;在链路数量?5时,不考虑地球自转参数(EOP)长期预报误差,自主运行60 d,轨道的用户距离精度(URE)平均为0.9 m,而总计算量仅为扩展Kalman滤波(EKF)分布式算法的七分之一.     

基于天宫二号POLAR的脉冲星导航实验

利用天宫二号上的伽玛暴偏振探测仪(POLAR)观测数据完成了X射线脉冲星导航的原理验证.处理并分析了POLAR的观测数据,建立了基于轨道动力学模型和脉冲星脉冲轮廓显著性分析的定轨算法,并利用蟹状星云脉冲星的实测数据开展了单脉冲星的定轨分析.结果表明,该方法能够实现对天宫二号轨道的定轨,利用POLAR一个月的在轨观测数据可得到定轨精度如下(99.7%置信度):轨道半长轴精度7.0 m,偏心率精度0.00026,轨道倾角精度0.023°,升交点赤经精度0.17°,近地点幅角及平近地点角精度0.043°.     

基于无迹卡尔曼滤波的导航星座并行式自主定轨

针对卫星轨道动力学模型的高度非线性及星座自主定轨的高精度需求,基于星间双向测距观测信息,提出了采用无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）作为星载算法的导航星座并行式自主定轨方案,并且给出了UKF算法中可见星先验信息引入的额外方差矩阵,以保证滤波的稳定性.仿真结果表明,该方案可以实现星座的长期自主定轨并维持一定精度.
     

基于广播星历参数的卫星自主导航算法

在自主导航中,目前星载处理及传输能力还不足以支持传统模式下全星座集中式动力学定轨算法.为了尝试将集中式应用于星载处理的可能性.本文提出了一种以卫星长期预报星历为基础,以广播星历参数为变量,由观测数据直接获取广播星历修正结果的集中式运动学定轨方法.该方法在地固系下进行轨道计算,无需上注EOP参数,定轨结果无误差累积.并且该方法将轨道确定与星历拟合合并为一步进行,既省略了轨道积分计算,又直接获取广播星历,可有效降低处理的计算量.试验结果表明该方法在4 h弧段内可将数据采样间隔放宽至20 min,有效减低了自主导航对星间链路测量频度及数据处理频度的要求.在现有卫星轨道60 d长期预报精度条件下,可满足URE 1 m、位置3 m的定轨精度.为集中式定轨方法应用于星载处理提供了可能.     

北斗卫星整网集中式自主定轨算法研究

由于分布式定轨算法只能得到局部次优解,为进一步提升北斗卫星自主导航算法精度,对北斗卫星整网 集中式定轨算法在轨实现方法进行研究。设计了基于推广卡尔曼滤波算法的整网集中式定轨算法及其在轨实 现流程,并利用北斗卫星上的龙芯1E300 处理器对算法精度及工程可行性进行了评估。仿真结果表明,整网集 中式算法精度优于分布式导航算法。且通过在龙芯1E300 处理器上仿真验证可知,集中式导航算法已具备星 上使用条件。     

2012-36 科技期刊亮点

转发式站间差分卫星定轨法成功应用中国科学院国家授时中心杨颖等提出的"转发式卫星轨道测定方法"已成功应用于GEO卫星精密定轨,显著地提高了GEO卫星的定轨精度。基于"转发式卫星轨道测定方法",本研究提出一种新的转发式观测模式——"转发式站间差分"观测模式,该模式是对     

人造卫星测轨新方法——单位矢量法

根据单位矢量法测轨原理,在人造卫星初轨计算的单位矢量法的基础上,完善了数学模型,改进了计算方法,建立了单位矢量法的从无摄初轨到有摄初轨,从初轨计算到轨道改进的系列算法,研制了融初轨计算和轨道改进于一体的统一测轨方法（PUVM2）.PUVM2方法对5个轨道根数进行了非线性化处理,避免了微分轨道改进时要对所有轨道根数求有摄偏导数的繁复计算,简化了工作环节.大量的仿真和实测计算表明,该方法可以有效地提高轨道半长轴和平纬度角的测定精度,这对卫星测控、轨道预报和空间目标监视都非常有利;该方法适用于不同偏心率轨道的定轨,具有广阔的应用前景.     

基于非线性自回归神经网络的局部大气密度预测方法

由于现有大气密度模型精度不足,在对低轨卫星定轨和轨道预报时容易产生较大误差,而观测手段的缺乏以及对高层大气物理机理缺乏足够了解给大气密度模型的建立带来了一定的困难.提出了利用神经网络来建立大气密度预测模型.首先,利用两行轨道根数对NRLMSISE-00大气模型校准得到沿轨道的局部化密度模型,然后基于非线性自适应回归神经网络(NARX)构建大气密度预测模型.该模型主要结合校准后MSIS模型以及太阳与地磁活动指数来预测未来一段时间内局部大气密度.将该模型应用于不同的卫星轨道数据,进行了多个时间段的模拟试验.与卫星实测密度的比对结果显示,相对于MSIS密度模型,该模型的预测误差有了一定的减小,为提高低轨卫星短期轨道预报精度提供了思路.     

风云气象卫星天气应用回顾和展望

 近50年来，我国风云气象卫星从无到有、从弱到强，迄今为止已成功发射19颗风云系列气象卫星，现有8颗在轨运行，形成极轨、静止2个系列化、业务化的综合观测网。伴随着卫星所搭载仪器载荷的升级和观测能力的提升，风云气象卫星在天气监测方法和技术也实现了稳步发展。回顾了风云气象卫星和卫星气象学的发展，综述了气象卫星在天气应用方面的发展历程，特别是更新换代的变化在天气应用中的进展。围绕未来需求和风云卫星未来技术发展方向，展望了卫星天气应用的前景和发展趋势。     

轨道运动方程数值解的加速算法

针对卫星轨道受大气阻力摄动的运动方程,提出了一种数值加速算法,该算法实现简单、计算量不大、精度高,适合于各类卫星轨道方程的求解。     

地球轨道运动规律研究

通常认为地球轨道要素（半长轴、偏心率、黄赤交角等）均为常数．这是由于在求解地球运动规律时，总是将地球和太阳视为匀质球体而以质点考虑，并认为除太阳影响外，无其他星体影响．但若考虑地球的‘非均匀性和周围星体的摄动力影响，地球的轨道运动将随时间变化．     

三轴稳定静止卫星赋形天线指向误差分析

对于静止轨道三轴稳定卫星,天线的指向精度是用户要求的重要指标.在卫星定点后处于工作姿态时,要求天线波束覆盖用户规定的地面区域,并满足规定的电性能指标.卫星的姿态、轨道、天线性能和总装等误差对赋形天线的指向精度均具有一定的影响.本文对影响赋形天线指向精度的各类误差的形成原因、误差数据的计算方法进行了逐项分析.研究了各类误差对赋形天线指向精度的影响,其中重点分析了姿态和轨道误差的影响,给出了相应的算法公式,并基于实际工程数据进行了算例仿真,得到卫星在正常和位保两种模式下赋形天线的指向误差数据.通过对比,仿真计算结果与卫星在轨天线方向图的实测结果具有一致性,证明了该分析思路和计算方法的有效性和正确性.     

A confirmation of the general relativistic prediction of the Lense-Thirring effect

An important early prediction of Einstein's general relativity was the advance of the perihelion of Mercury's orbit, whose measurement provided one of the classical tests of Einstein's theory. The advance of the orbital point-of-closest-approach also applies to a binary pulsar system and to an Earth-orbiting satellite. General relativity also predicts that the rotation of a body like Earth will drag the local inertial frames of reference around it, which will affect the orbit of a satellite. This Lense-Thirring effect has hitherto not been detected with high accuracy, but its detection with an error of about 1 per cent is the main goal of Gravity Probe B--an ongoing space mission using orbiting gyroscopes. Here we report a measurement of the Lense-Thirring effect on two Earth satellites: it is 99 +/- 5 per cent of the value predicted by general relativity; the uncertainty of this measurement includes all known random and systematic errors, but we allow for a total +/- 10 per cent uncertainty to include underestimated and unknown sources of error.     

Reverse Detection Based QoS Routing Algorithm for LEO Satellite Constellation Networks

A reverse detection based QoS routing algorithm was developed based on the dynamic topology of low earth orbit (LEO) satellite constellation networks. This distributed algorithm has very low computational complexity, so it is suitable for on-board processing. This algorithm improves the autonomous operating capability and throughput of satellite networks. Simulations show that the algorithm has better performance than the static sequent snap shots algorithm with acceptable low overhead signaling.     

Variation of satellite transponder delay

For precise orbit determination of geosynchronous earth orbit(GEO)satellites using transfer ranging observations,it is generally assumed that the variation of the satellite transponder delay is very small and that it can be solved as a constant parameter together with satellite orbit parameters.However,this assumption is too general and it reduces the accuracy of orbit determination for GEO satellites.To study and analyse the impact of the satellite transponder delay on GEO satellites orbit determination,two schemes were proposed.First,the satellite transponder delay was eliminated by forming single-difference observations between two ground stations;second,the satellite transponder delay was described as a constant parameter.The preliminary results demonstrate a difference of about1–2 m between the two schemes when used for precise orbit determination of GEO satellites.By fixing the GEO satellite orbit and other relevant parameters estimated by single-difference model,we inversed the instantaneous transponder delay from non-difference observation.It was found that the satellite transponder delay has a distinct diurnal variation,with an amplitude of 3–4 m.The findings of this paper are helpful in establishing an accurate model of satellite transponder delay and in improving the accuracy of GEO satellites orbit determinations and predictions.     

区域定位系统中高程辅助三星定位算法

提出了一种不受高度限制的区域定位系统高程辅助三星定位算法.该算法既不依赖于先验的位置信息和定位结果,也不需要构建近似椭球方程.算法的关键是在牛顿算法迭代过程中不断更新接收机估算位置到地心的虚拟伪距.结合中国区域定位系统(Chinese Area Positioning System, CAPS) 的试验验证星座开展了仿真分析,结果表明：在用户高度已知的情况下,当高度达到中轨卫星轨道高度(约12×103 km)时,该算法仍能够进行正常的定位解算.在分析高程辅助算法中精度衰减矩阵的基础上,提出了高程辅助下误差椭圆轴长和轴方向的计算公式.结合CAPS试验验证星座仿真分析表明,提出的计算公式可以准确描述误差椭圆的几何特征.