GEO卫星机动后的星历快速恢复方法

GEO卫星可用于导航卫星,存在一个重要的问题是：GEO卫星机动较为频繁,卫星机动力不易建模．基于转发式测轨数据,常用的动力学统计定轨方法在无机动力的巡航状态下可以获得很高的精度,但当机动发生后,预报轨道将很快失效,一直到机动结束后较长时间内星历都不能有效使用．为改善这种状况,我们研究机动后星历的快速恢复方法．首先使用高精度转发式测轨数据,分析了GEO卫星机动情形下的运动规律．然后在卫星机动结束并进入巡航状态后,使用密集的短弧段观测数据,把公共系统偏差、各站系统偏差等作为常数,主要解算6个轨道根数,用统计定轨方法进行轨道预报,减少解算参数提高预报精度,实现卫星星历的快速恢复．结果表明：在目前的转发式测轨网布站情形下,对鑫诺一号卫星,利用15min数据预报2h,轨道精度（O-C）约为5m;利用30min数据预报2h,轨道精度（O-C）约为3m．     

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.     

GEO导航卫星多种观测资料联合精密定轨

针对跟踪站少、观测几何条件差以及轨道机动后GEO导航卫星精密定轨问题,提出了用激光观测数据解算无线电测距离观测数据设备时延、用CODE模型参数和多频载波相位数据进行电离层延迟精确修正的精密定轨和轨道快速恢复的处理体制.通过在轨实测数据实验证明,利用激光标定的距离观测数据组合设备时延精度优于1ns;基于3站观测数据GEO卫星精密定轨结果,RMS为0.25m;24h数据定轨结果重叠12小轨道径向互差0.55m,位置互差约1.62m;预报12h轨道重叠弧段互差为径向3.63m,位置互差8.51m;定轨结果与激光比对残差约0.10m,预报2h轨道比对残差约0.18m,预报24h轨道比对残差约2.04m.GEO卫星轨道机动后2～3h,动力学定轨结果能够恢复到与激光比对残差小于1m、与精密定轨结果比对位置互差约30m的水平.试验及分析结果表明,所提出的GEO精度定轨技术方案可靠、稳定.     

转发式测距和直发式伪距的GEO卫星联合定轨

GEO卫星是区域卫星导航系统空间段的重要组成部分.仿真模拟表明,在星座组网运行时通过差分策略可消除卫星钟差,但对只有GEO在轨运行的单星模式需要引进其他测轨技术才可能获得高精度的GEO轨道和钟差信息.本文提出联合转发式测距和直发式伪距数据的GEO卫星联合定轨和钟差估计方案,克服了转发式跟踪站数量和测距数据有限的问题,实现了对直发式伪距跟踪站星地组合钟差的估计,并且保持了卫星星历与钟差的自洽性.利用我国区域跟踪网对GEO卫星的实测数据进行了联合定轨试验,开展了详细的误差协方差分析说明了转发式和直发式两种测轨技术的贡献,结果表明：转发式测距数据的定轨残差为0.203m,直发式伪距的定轨残差为0.408m.定轨弧段内激光外符视向精度为0.076m,预报2h激光外符视向精度为0.404m,星地钟差估计精度约为1.38ns.对于基于单个转发跟踪站的转发直发联合定轨,激光外符视向精度为0.280m,预报2h激光外符视向精度为0.888m,星地钟差估计精度约为1.55ns.相关指标满足了导航服务的需求.     

利用星间双向测距数据进行北斗卫星集中式自主定轨的初步结果分析

自主定轨是导航卫星自主导航的重要任务,是指在地面运行控制系统不可用的情形下,利用星间测距维持导航系统星历的自主更新.本文利用北斗新一代导航试验卫星搭载的Ka波段星间双向测距数据,进行集中式自主定轨试验.首先给出了星间双向测距数据的处理流程和数学模型,并分析了星间双向测距数据的测量特性.结果表明星间双向测距数据是一种高精度的距离测量.将星间双向测距数据用于定轨处理,残差标准差小于1 0 cm,均值好于1.0 cm,解算的设备零值稳定度好于0.2 ns.分别利用重叠弧段比较、用户等效距离误差评估和激光残差等方式评估了自主定轨的精度.结果表明,在一个地面锚固站支持下,自主定轨得到的卫星轨道径向重叠弧段互差优于6 cm,预报2 4 h径向重叠弧段互差优于1 0 cm.2 4 h预报轨道用户等效距离误差为0.4 3 m,优于L波段预报轨道的0.76 m,激光残差优于1 0 cm.星间链路对地观测为自主定轨提供空间基准,避免星座的整体旋转.本文讨论对地测量时长对自主定轨的影响.结果表明即使星间链路对地观测的截止高度角为60°,自主定轨结果和2 4 h预报轨道径向误差优于10 cm,三维位置优于1.5 m.     

利用CAPS测距数据确定GEO卫星变轨期间的轨道

为调整轨道或者姿态,卫星每隔一段时间会进行喷气或者动量轮卸载,相当于对卫星产生了附加推力．由于变轨过程的复杂性和变轨加速度测量的不确定性,在一般的定轨过程中,通常是不采用变轨期间的测轨数据．但是在特殊情况下如导航卫星的RDSS服务需要提供不间断的包含变轨弧段在内的连续星历．文中利用高精度高采样率的CAPS测距资料,对某GEO卫星包含变轨弧段在内的6天长弧段进行了定轨分析,着重讨论如何利用变轨期间的遥测数据建立变轨推力模型,并将推力模型加入到定轨的动力学模型中,进行长弧段定轨．研究还表明,即使没有准确的遥测信息,基于CAPS系统的高精度高采样率测轨数据,可以解算推力参数．计算结果表明两种方案均取得了良好的数据拟合效果,变轨弧段的轨道位置误差最大约为20m．     

基于星载GPS非差数据的COSMIC卫星几何定轨研究

COSMIC的大地测量任务重点在于解算地球重力场模型以及低阶重力场时变规律研究,这需要卫星精密几何轨道．文中根据CODE的GPS卫星精密星历和时钟,COSMIC卫星设计轨道和定轨GPS天线设计,模拟了COSMIC星载GPS观测量．利用运动学原理,研究了基于星载GPS非差数据的COSMIC几何定轨能力．COSMIC具有两个定轨天线（POD＋X和-X）,单独利用一个天线观测的几何定轨结果精度基本一致,都大于模拟时给定的随机误差．这主要是由卫星设计的POD天线位置造成的,两个天线的视准向量与天顶方向之间的夹角不同,同时POD＋X位于卫星飞行方向,而POD—X背向卫星飞行方向．为了改善几何定轨精度,利用POD＋X和一X天线构成一个虚拟天线,将两个POD天线的观测归算到虚拟天线．利用虚拟天线的观测,进行精密几何定轨,通过与参考轨道的比较,定轨精度与给定的模拟随机误差基本一致．     

天基空间目标监视与跟踪系统轨道确定技术研究

针对天基空间目标监视系统的工作模式,研究了空间目标的可观测性问题,并讨论了Laplace初轨确定方法在该系统中的局限性,提出了一种新的空间目标初轨确定方法——遍历切割平面法．在此基础上研究了天基空间目标监视系统的精密轨道改进算法,尤其针对动力学模型不精确的非合作目标,利用半参数模型的估计理论,提出了抗差补偿动力学模型定轨算法．实验结果表明,单星遍历切割平面法能快速准确地为轨道改进提供历元初值,该初值精度完全可以达到精密轨道改进的收敛要求。同时抗差动力学模型补偿定轨算法能有效抑制模型误差的影响,显著提高轨道确定精度．     

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。     

轨位偏置的GEO卫星轨道快速恢复技术

北斗系统中轨位资源相对匮乏的GEO卫星需要频繁轨控来保持轨位,其轨控后的轨道快速恢复问题,是制约卫星可用度和系统服务性能的重要因素.GEO卫星静地特性使得难以实现轨道参数与钟参数的有效分离,特别针对轨位偏置GEO卫星该问题更加突出.本文提出了星地钟差支持下的轨道快速恢复技术,通过无线电双向法实现星地时间同步和多星定轨实现高精度站间时间同步,实现了钟差与轨道的有效分离.本文同时提出具有先验约束的降相关方法和基于长弧约束短弧运动学和动力学参数的轨道快速恢复方法,有效解决了监测接收机系统差问题,实现了高精度的轨道快速恢复.基于北斗系统实测数据的试验分析表明:机动后轨道快速恢复时间由24 h缩短为4 h,SLR评估的预报2 h轨道视向精度优于1 m,UERE精度优于1.5 m,有效解决了轨位偏置GEO卫星的轨道快速恢复问题.     

基于国家测绘局GPS连续运行参考站的定轨

为了解决采用地面GPS连续运行参考站进行高精度定轨问题,采用轨道积分方法,利用国家测绘局8个GPS连续运行参考站和9个中国周边IGS连续运行参考站,设计了多种天数的区域性定轨计算方案,研究了轨道确定的理论、步骤和参数设置规律.结果表明:3天轨道解的平均精度为0.19 m,5天轨道解的平均精度为O.21 m,7天轨道解的平均精度为O.28 m,3天解平均定轨精度最高,优于0.2 m,证明了并非随着地面数据天数的增加而精度随之增加,可以用最少的数据量获得最优的定轨结果.定轨试验计算的是区域性轨道,与全球轨道相比,存在一定的偏差.该成果对我国定轨研究特别是未来的广域增强系统轨道预测具有一定的指导意义和参考价值.     

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.     

几何学轨道数值求导的GRACE加速度计标定算法

为标定星载加速度计的输出值,提出基于高阶多项式拟合卫星几何学精密轨道数据,通过数值求导获得卫星摄动加速度继而解算标定参数的算法。选用2010年7月25—31日共7 d的GRACE-A/B卫星数据测试,结果表明:加速度计在切向的标定精度最高,与官方参考值平均相符度达99.2%,而法向与径向的标定精度相对较低,这主要源于保守力模型误差引起的混叠效果;当采用标定后的数据在不加入经验补偿力的方式下开展动力法定轨,切向的轨道精度优于7 cm,满足大气阻力等摄动分析的精度需求,径向与法向的轨道残差则相对较大,但仍适用于米级精密定轨,验证了算法的有效性。     

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.     

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.     

太阳风暴期间的北斗电离层建模优化

北斗卫星导航系统发播地理坐标系下8参数Klobuchar电离层模型提供给单频用户使用,且采用实时观测数据每2 h更新一次模型参数.太阳风暴会造成电离层严重扰动,可能对电离层模型预报精度带来严重影响.本文针对北斗系统电离层模型参数特点,在分析相邻两天周期项参数对改正精度影响的基础上,设计了基于历史周期项参数的模型解算方法,首先利用前一天24 h观测数据解算的余弦周期项参数作为当天模型周期项参数,然后利用当天累积数据,采用最小二乘方法解算余弦幅值项参数.该方法固定对电离层模型精度影响较小的周期项参数,实现利用较短时段太阳风暴期间电离层穿刺点观测数据拟合电离层模型振幅参数,从而达到太阳风暴期间电离层模型改正精度显著提升.采用北斗实测电离层数据,分析比较北斗发播模型结果和基于历史周期项参数模型结果的预报精度,结果表明:太阳风暴期间,北斗系统发播模型结果因受前一天观测数据影响,预报精度大幅降低,电离层负暴期间中国区域平均预报精度比常态降低达40%,而基于历史周期项参数的模型结果在太阳风暴期间的预报精度均与平静期间精度相当,平均预报精度优于70%.     

JASON-2卫星精密轨道确定：GPS，SLR和DORIS分析

本文针对GPS,SLR和DORIS3种观测手段的定轨问题进行了研究．以JASON-2卫星为例,讨论了GPS,SLR和DORIS的定轨策略、轨道精度评价和轨道叠加问题．并基于2009-01-21—25日实测数据进行了试验．试验结果表明,DORIS定轨结果要优于GPS和SLR;不同的轨道验证方法得到的GPS和SLR轨道的相对精度不同;基于SLR验证和轨道重叠验证的结果定权,综合GPS,SLR和DORIS进行轨道叠加,其叠加轨道的精度是一致的,通过与JPL轨道比较,其径向精度为2cm．     

基于多传感器的卫星容错自主导航系统

在由星敏感器、红外地平仪、雷达高度计、紫外敏感器组成的卫星多传感器容错自主导航系统中,采用容错联邦滤波算法,突出了多传感器系统信息冗余的优势,数据处理速度快,算法计算量小,具有较高的工程实用价值.仿真结果表明,该方案能够获得较高的定轨精度,当1个或多个导航子系统出现故障时,系统能够检测并隔离相应的故障子系统,同时还能利用隔离后的子系统获得局部导航最优解,从而有效提高了卫星导航系统的可靠性和精度.     

基于CAPS的双天线共接收机无电离层影响的混合差分定位新方法

针对转发式中国区域卫星导航定位系统（CAPS）的构思与设计,给出了基于CAPS的导航定位解算的3种基本模式,并进行比较分析．根据电离层延迟与频率平方成反比,提出双天线共接收机的无电离层延迟影响的混合差分导航定位新方法,给出其基本原理,导出混合差分观测量,具体推导了单历元和多历元的解算公式和算法．该方法消除了CAPS导航信息发射、传播、转发和接收等环节的电离层延迟、硬件延迟、时钟误差等公共误差,方便于实现单历元解算和多历元导航定位,可有效提高CAPS的导航定位精度和实时性．该方法不但能同时对CAPS星座的GEO和IGSO卫星进行几何定轨和导航定位解算,而且还可以求解对流层天顶延迟,用于研究大气中水汽含量的变化．在有限时间间隔内,利用多项式表示天顶延迟和CAPS卫星轨道,可有效减少未知参数个数,提高解算速度和实时性．