应用卫卫跟踪数据恢复地球重力场的模拟分析

探讨了应用卫卫跟踪(SST)卫星星历、星间距离和星间距离变率数据来恢复地球重力场的数学模型和算法,利用卫星动力学法恢复了直到40阶的地球重力场模型.结果表明:在仅模拟5 cm轨道误差、10μm星间距离误差及1μm.s-1星间距离变率误差的情况下,采用星间距离恢复的结果比采用星间距离变率恢复的结果精度要高,说明SST距离测量比SST距离变率测量对重力场的扰动更敏感.     

双层协同对地观测卫星星座设计

针对日益增长的卫星对地观测需求,提出了一种双层卫星星座设计方案.首先,分析了我国目前对地观测卫星的覆盖性能,以时间分辨率和空间分辨率作为对地观测星座的评价指标;然后,通过优化卫星轨道高度,得到满足任务要求的最优轨道;最后,通过设置轨道相位使得整个星座构成全连通链路,单个地面站与卫星相连便可以与整个星座相连,从而摆脱了对中继卫星的依赖.该方案充分结合了中轨星座时间分辨率高、低轨星座空间分辨率高的优点,相对于传统的单层卫星组网方案,双层星座能够以高空间分辨率和时间分辨率对全球任意目标1 d观测多次,并实现遥测指令与观测数据的实时传输.     

卫星位置误差相关时的三星编队系统时差定位精度

为使三星编队卫星系统的时差定位数学模型更真实地反映现实,该文充分考虑编队星座系统联合观测定轨中存在的卫星位置误差相关性的特点,首次从星座系统整体出发,将单星误差变量转换为可反映误差相关性的具有明确物理意义的星间距离等独立变量,推导出辐射源定位精度的数学模型,并对星座系统整体漂移、几何构形畸变、星座平面旋转、翘动误差对定位精度影响进行分析和数值计算,指出引起星座翘动的非相关误差因素对定位精度影响最大、相关性误差对精度影响最小,并给出了满足系统定位精度达到4km、等精度曲线包含星下点附近直径为3000km区域的条件。     

低轨星座红外凝视传感器覆盖性能分析

针对低轨星座凝视传感器覆盖问题,首先从理论上分析了最大可探测距离、方位角、俯仰角及轨道高度对单个传感器覆盖性能的影响.然后在典型圆轨道星座下,初步分析了轨道高度、轨道倾角及升交点赤经对星座整体覆盖性能的影响.基于点覆盖数值仿真技术的计算结果表明,覆盖率统计结果规律与理论分析完全一致.     

双基站卫星星座设计研究

针对双基站卫星星座的特点，分析了卫星和空间站之间的可视窗、通讯窗和过顶时间要求下的通讯约束．根据卫星轨道高度、倾角、升交点赤经、轨道数目及卫星分布选择、星际链路建立等几个方面，对双基站卫星星座进行设计，并研究了长期执行任务的情况下，卫星轨道修正方案．该星座克服了以地球为基地的卫星星座测控信号传递路程长，信号受到环境干扰大的不足，充分利用空间站的优势，更有效地发挥了卫星及其星座的作用。通过仿真计算给出了双基站卫星星座与地面站和空间站的日通讯时间．从结果可以看出，所设计的双基站卫星星座可以作为我国空间站的数据中继系统。     

一种新型多层卫星星座组网设计

随着空间技术需求的不断增多,传统的单层卫星星座组网模式,由于其结构简单,在未来空间技术的发展中受到限制.近年来,采用多层卫星进行星座组网受到业界的普遍关注.鉴于多层卫星星座模型的优点,设计了一种新的基于GEO/MEO/LEO的三层卫星星座模型.本模型充分结合高、中、低轨道各自的优势,以尽量少的卫星数量实现了对地球的全面覆盖,较之传统单层模型更为立体化.最后,通过STK和MATLAB对所提出的多层卫星星座组网模型进行了数字化仿真,从星间链路的长度、链路通信俯仰角以及方位角等方面进行了对比和分析,验证了本模型的合理性和有效性.     

北斗新一代试验卫星星钟及轨道精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星和3颗中轨地球轨道卫星组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能.导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生,本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升.结果表明新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,地球倾斜静止卫星(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)短期预报误差从0.65ns减小到0.30ns,中轨道卫星(Medium Orbit,MEO)短期预报误差从0.78ns减小到0.32ns,IGSO/MEO卫星中期预报误差均从2.50ns减小到约1.50ns.星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)是北斗全球系统最重要的技术体制设计之一,本文评估了试验卫星实现的星间伪距测量对提升空间信号精度,即轨道和钟差的贡献,得到在地面监测网无法连续覆盖到的境外弧段,高精度星间链路测量对轨道确定和钟差测定精度的提升尤为明显.加入星间伪距测量,MEO卫星重新入境时钟差预报误差由3ns减小至1ns以内.采用星地星间联合定轨方法估计的卫星轨道径向重叠弧段互差优于0.1m,三维位置重叠互差优于0.5m,预报24h径向重叠弧段互差优于0.2m,三维位置重叠互差优于1m,均较区域监测网L波段定轨结果有较大提升.为解决多星定轨处理时卫星钟差与轨道高度耦合问题,本文提出了卫星钟差半约束模式定轨处理方法.用户等效距离误差分析结果表明采用卫星钟差半约束的定轨模式,卫星轨道预报4h用户等效距离误差由1.04m减小至0.82m.     

以GPS为例看北斗的未来应用

2020年8月3日,中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其在国务院新闻发布会上介绍,北斗卫星导航系统提前半年完成全球星座部署,开通全系统服务。北斗500余种核心部件全部实现了国产化,包括星间链路、髙精度原子钟等核心高技术难题已经全部攻克。由24颗中圆地球轨道卫星、3颗地球静止轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星。     

基于星敏感器和星间链路的卫星星座自主定轨研究

以对地定位观测三星星座为例, 研究了联合星敏感器和星间链路测量信息的卫星星座自主定轨方法. 通过仿真三星星座星间链路观测和CCD星敏感器对背景恒星的观测, 生成两种类型的仿真观测资料, 基于这些资料建立了星座联合自主定轨的测轨方程, 在此基础上进行了星座自主定轨的仿真计算. 综合考虑各种定轨方案以及潜在的各种测量误差的影响, 对卫星星座自主定轨精度进行了比较和分析, 结果表明所采用技术手段应用于卫星星座自主定轨是可行的, 并形成了若干研究结论, 对于这种自主定轨技术拓展应用于更广泛意义下的卫星编队星座具有重要的参考价值.     

微小卫星编队飞行仿真平台设计

为了进行微小卫星编队飞行设计,设计了一个仿真平台。该仿真平台由两颗模拟卫星和控制中心组成,通过星间RF设备和网络控制器形成三节点星间网络,并可以根据需要增加模拟卫星的数量。模拟卫星载有多个物理的敏感器和执行器,能够对其性能进行测试。在此平台上设计了双星主从控制、双星协同控制、三星主从控制、三星协同控制、单星失效模式等多种控制策略。通过GPS伪距差分技术进行相对定位外场实验,给出了编队飞行控制仿真所需的相对定位精度,同时也验证了星间网络的功能和可靠性。     

应用CHAMP卫星轨道和加速度数据恢复地球重力场

介绍了重力卫星CHAMP,GRACE,GOCE和利用卫星观测数据解算地球重力场的方法以及加速度数据的处理方法,探讨了基于能量守恒方法恢复地球重力场模型的原理.将基于能量守恒方法利用CHAMP卫星星历数据恢复的地球重力场模型与EGM 96重力场模型进行比较,结果验证了CHAMP卫星对地球中、长波重力场的敏感性,以及能量守恒方法恢复低阶地球重力场位系数的有效性.     

GPS radio occultation: A potential new data source for improvement of antarctic pressure field

Radio occultation technique, first demonstrated by the GPS/MET experiment in 1995[1], has the potential to provide improved spatial and temporal resolution in the probing of the Earth's neutral atmosphere, including pressure,temperature and water vapor profiles, in addition to traditional measurements (e.g.,radiosonde, spaceborne radiometers) and ground-based GPS networks for precipitable water vapor (PWV) measurements. This paper provides an overview of the radio occultation concept and retrieval procedure and current technical limitations including lower troposphere inhomogeneities, signal penetration, multipath, and water vapor ambiguity. The current limitations using atmospheric model pressure fields (ECMWF and NCEP) for the modeling of atmospheric mass load over Antarctica, for its separation from climate sensitive signals observed by gravity mapping satellite,GRACE, are quantified. Atmospheric pressure fields over Antarctica are poorly known and higher temporal variability of pressure causes an "aliasing" error in GRACE-observed climate-sensitive signals such as hydrology, mass balance and oceanic mass variations. In particular, comparison of ECMWF 6-hour data with the Automatic Weather Station (AWS) in Antarctica indicates mean differences of 5 hPa,and rms of 1.7 hPa, exceeding the accuracy requirement for GRACE. Aliasing effec tmanifests as high-frequency errors in GRACE-observed gravity signals and are more pronounced over Antarctica. The possibility of using current operating satellite(SAC-C, CHAMP and GRACE) occultation data to improve Antarctic surface pressure fields is proposed. Preliminary results indicate that in the absence of water vapor over Antarctica, retrieved CHAMP pressure profile agrees well with radiosonde data from Neumayer station, and that occultation signals reach near the surface.     

月球重力场模型研究进展及展望

第一,整理了自人类开始探月以来所有和月球重力相关的探测卫星,以及自学者开始研究月球重力场以来所有重要的月球重力场模型。第二,根据探月跟踪模式的发展过程,详细介绍了各阶段跟踪模式的原理,并以示意图的形式展现,同时列举了各阶段跟踪模式下的重力场模型。第三,对月球重力场反演方法进行了介绍,主要包括短弧积分法和天体力学法。第四,对各个探月阶段具有代表性的重力场模型进行介绍,主要包括：8×4重力场模型、Lun60D、LP165P、SGM100i和GL0420,并进行了精度对比,发现最新一代模型精度比之前提高了4个数量级。第五,介绍了本团队在月球重力探索方向研究进展。第六,介绍了月球重力场模型在探究月球内部构造和卫星定轨方面的应用,并结合现代技术以及目前重力场反演的不足,提出以后可以改进的方案：应用重力梯度仪和获取月球表面真实重力数据。     

多源卫星重力数据融合研究进展

分析了GOCE和GRACE等重力卫星数据在频谱上的互补性,指出了多源卫星重力数据融合的必要性,总结了多源卫星重力数据融合的研究进展和相关成果,特别是GOCO和EIGEN系列模型.在此基础上,探讨了目前多源卫星重力数据融合中存在的问题,如地形影响处理、位系数与数据的对应关系、数据权重分配等.最后,对多源卫星重力数据融合研究提出了一些建议.     

基于AR模型的低轨卫星大气密度建模与预报

研究了采用时间序列分析进行低轨卫星大气密度的建模与预报。通过对低轨卫星历史和当前的大气密度进行时间序列建模、频谱分析,可以获得未来数个轨道周期内大气密度的预报模型,并结合GRACE卫星加速度计反演的大气密度数据进行了详细分析。研究结果表明:GRACE卫星一个轨道周期内的密度预报模型是以轨道角速度和时间表示的最高次数为2的傅里叶级数。与三维密度模型相比,这种密度预报模型仅与历史的大气密度有关、所需模型参数少,可为今后在卫星定轨和轨道预报工作中大气密度的建模和预报提供新的思路。     

多星座GNSS卫星轨道模型简化方法研究

为提高多星座GNSS卫星轨道模型的可视化效率,从卫星椭圆轨道的近似,统一同一星座卫星轨道半长轴长度,基于K-means算法对升交点赤经数据进行聚类划分与重新赋值这3个方面对模型进行了简化,并进行了仿真计算. 仿真结果表明,该方法的采用显著减少了需要显示的轨道数量,减少了完成模型渲染所需的时间,提高了每秒显示帧数. 多星座GNSS卫星轨道模型的可视化效率得到明显提高.      

卫星轨道近地点和远地点能量平衡式

地球卫星入轨后,处于地球的保守场中,在不计阻力损耗情况下,卫星的总能量是守恒的.由此,可以建立一个卫星轨道的能量平衡式.将提出的近、远地点能量平衡式应用到"嫦娥"一号工程的近、远地点参数的独立核算,结果是成功的.同时,对选择"长征"三号甲运载火箭用于"嫦娥"一号卫星的运载能力,以及"嫦娥"一号卫星所携带推进剂数量的合理性进行了核算.     

LEO卫星轨道参数对GPS掩星数量和分布的影响

利用低地球轨道LEO（LowEarth Orbit)卫星所载GPS接收机探测地球大气的分层结构是上世纪80年代后期才发展起来的新技术，不同的LEO卫星，将使发生的掩星事件数量和分布有所差别，在一定的大气折射指数分布模型和现有GPS星座的假设条件下，利用射线追踪法模拟了掩星事件，并讨论了LEO卫星的轨道倾角和高度对掩星事件发生的数量和分布的影响。其结论对实际发射LEO卫星时的参数选取具有参考价值。     

全球移动卫星通信的发展前景

简述了卫星通信应用从固定地卢、通信扩伸至移动通信的趋向；详细说明了空间卫星从传统的对地静止轨道发展至新设想的低轨道和中轨道的过程，对中、低轨道移动通信系统技术的具体情况加以比较分析，作出综合评述；最后扼要介绍了利用卫星的全球个人通信系统和全球定位系统，并表明卫星通信在“信息高速公路”和国家信息基础结构中具有与光纤通信同样重要的地位．