行星际深空探测中双程测速的高精度计算方法

对于行星际深空探测（距地球1亿km以上）任务,由于受到计算机字长的限制,传统双程测速模型的计算精度无法满足高精度定轨的需要,其最大误差源于多普勒频移周计数终点和始点上行几何距离之间和下行几何距离之间差分值的计算过程。对此建立行星际双程测速模型,高精度地计算了两个差分值,推导模型的计算公式并给出详细步骤,同时给出计算过程中需要的切比雪夫差分多项式递推公式的形式。将该模型在深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统（Wuhan University deep-space orbit determination and gravity recovery system,WUDOGS）中进行了实现,并以欧空局火星快车号（Mars express,MEX）探测任务为背景,利用该软件进行仿真测试,从计算精度和定轨结果两个方面验证该模型的优越性。结果表明,该模型将双程测速的计算值在计算机中表达的精度提高2个数量级,同时避免了定轨过程中引入额外的数值误差,可以为后续高精度的行星际深空探测任务的定轨提供参考。     

天问一号拓展任务对火星低阶重力场解算的潜在贡献分析

天问一号是中国首次独立开展的行星际探测任务,实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测。天问一号正常科学任务阶段环绕以极轨设计为主,与历史火星任务类似,对当前火星重力场模型精度改进有限,因此其拓展任务轨道选取至关重要。通过对极轨圆轨道和近赤道大偏心率轨道进行仿真模拟,分析两种典型轨道构型对现有火星重力场模型改进的可能性,基于不同误差考量仿真解算了对应6个重力场模型。借助重力场功率谱分析,发现在测量噪声为0.1 mm/s的情况下,不论采用极轨还是近赤道轨道,一个月的跟踪数据均可较好地反演出42阶次的火星重力场模型;考虑综合误差影响之后,发现两种轨道对于重力场解算精度类似,其中实施近赤道大偏心率轨道对35阶次以上约束略强。     

VLBI在GEO卫星精密定轨中的应用

影响GEO轨道确定精度的原因主要有两方面:一是高轨卫星的几何跟踪条件受到局部测轨网的限制;二是卫星相对于地面的动力学约束信息较弱。利用一个针对GEO卫星的简化动力法定轨的协方差分析模型,研究了联合测距跟踪网和甚长基线干涉测量(VLBI)对定轨精度的改善情况。指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨精度的主要误差源;当附加一条东西向VLBI基线时,仅利用不定期的少量VLBI高精度数据就能够显著改善测距偏差对轨道的影响,从而保证了卫星的整体位置解算精度。     

VLBI在GEO卫星精密定轨中的应用

影响GEO轨道确定精度的原因主要有两方面:一是高轨卫星的几何跟踪条件受到局部测轨网的限制;二是卫星相对于地面的动力学约束信息较弱.利用一个针对GEO卫星的简化动力法定轨的协方差分析模型,研究了联合测距跟踪网和甚长基线干涉测量(VLBI)对定轨精度的改善情况.指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨精度的主要误差源;当附加一条东西向VLBI基线时,仅利用不定期的少量VLBI高精度数据就能够显著改善测距偏差对轨道的影响,从而保证了卫星的整体位置解算精度.     

基于MGS测图段部分弧段的精密定轨及火星重力场模型解算

火星探测器精密定轨关联到火星探测任务的成功实施并为其科学目标的顺利完成提供保障,火星重力场研究除了为精密定轨服务外,还是进行火星内部结构、火星表面质量迁移及火星形成和演化的重要约束条件。基于火星探测器精密定轨及火星重力场研究的重要意义,本文利用MGS（Mars Global Surveyor）测图任务阶段近两个月的轨道跟踪数据进行了解算分析,对精密定轨结果进行了精度评价。在此基础上,进行了火星重力场模型解算,通过轨道残差、火星自由空气重力异常等方式对解算模型进行了精度评价,结果表明解算模型合理。这一研究为我国即将发射的火星探测计划“萤火一号”轨道跟踪数据用于火星重力场研究打下了基础。     

嫦娥一号绕月探测卫星精密定轨实现

对探月任务精密定轨技术进行了论述,分析了轨道确定过程中的关键技术问题。基于SMART-1探月卫星测轨数据,对精密定轨软件系统进行了测试验证,3 d数据弧段定轨结果精度优于百米。在嫦娥一号任务实施过程中,各轨道段轨道的计算结果准确,卫星成功进入环月使命轨道,特别是原计划三次中途修正仅执行了一次,为卫星节约了宝贵的燃料。与外部星历互差的结果表明,整个任务阶段定轨精度在百米量级,环月段定轨精度约数十米。实施结果表明,该文给出的定轨技术理论正确,关键技术解决有效,完全满足探月任务工程测控和科学研究的需要。     

同波束VLBI测量下的天问一号火星车定位及精度分析

针对中国天问一号火星探测任务中的火星车定位问题,进行了相关方法的研究和精度分析。根据现有测控条件,考虑到火星车无地面测距数据,提出了利用轨道器和火星车的同波束甚长基线干涉测量（same-beam very long baseline interferometry,SBI）数据对火星车进行定位的方法。由于利用SBI联合轨道器测距数据无法在定轨定位的同时解算差分相时延模糊度,分析了在固定轨道器的轨道情况下,仅利用SBI数据进行火星车定位。结果表明,火星车定位误差随着轨道器的轨道精度提高而减小,如果轨道器的轨道精度从1 km提升到100 m或10 m,6 h SBI数据可以将火星车定位精度提高到数百米,同时,增加数据弧段可进一步提高定位精度,当对着陆器高程方向进行约束时,定位精度会有明显改善。     

资源三号02星厘米级定轨精度分析

针对低轨卫星精密定轨时周跳探测、定轨方法和精度分析方法的关键问题,该文采用TurboEdit方法探测周跳。采用简化动力学方法确定资源三号02星轨道,并通过重叠弧段和独立轨道对比两种方法进行检核。结果显示,TurboEdit方法能够很好地提高观测数据质量,进而提高轨道精度;通过检核,资源三号02星定轨精度达到厘米级。     

利用零相位Kaiser窗滤波器改善MEX多普勒数据定轨精度

精密轨道确定在深空探测中至关重要,而定轨数据中的白噪声会影响定轨性能。基于零相位分析,比较了FRR（forward-filter reverse-filter reverse-output）、RRF（reverse-filter reverse-filter forward-output）和Matlab中的filtfilt这3种滤波器的优劣,设计了一种零相位Kaiser窗低通滤波器。利用火星快车号（Mars Express,MEX）的仿真数据和实测数据验证了零相位Kaiser窗低通滤波器的性能,结果发现滤除白噪声后MEX数据的定轨精度有了显著改善。双程测速数据残差均方根（root mean square,RMS）减小为原来的1/3左右,达到了0.031 mm/s;轨道位置和速度与欧空局（European Space Agency,ESA）精密轨道的差异明显变小。该滤波算法作为定轨前的数据预处理可以提高定轨精度,从而为中国火星探测器的轨道数据处理提供一定的参考。     

中国VLBI观测网对木星低阶重力场解算的贡献

随着中国深空探测进程的不断推进,研究热点逐渐从月球、类地行星转向气态行星。木星探测任务中,探测器精密定轨软件的研制是探测初期模拟仿真以及任务实施期间无线电跟踪数据处理的重要工具,而其中涉及的木星重力场模型、自转定向模型等相关参数的解算则是重要的科学问题。介绍了自研木星探测器精密定轨及动力学参数解算软件(Jupiter gravity recovery and analysis software,JUPGREAS),并与GEODYN-Ⅱ(geodetic parameter estimation and precision orbit determination system-Ⅱ)进行了对比验证。结果显示,轨道预报7 d的精度在10-4m量级;均使用高斯白噪声为1 mm/s的双程测速观测值进行精密定轨解算,两套软件之间的初轨改正量最大差异为1.84 m。基于JUPGREAS仿真处理了中国深空网和甚长基线干涉测量观测网(Chinese very long baseline interferometry network, CVN)跟踪的木星探测器数据,对甚长基线干涉测量时延和双程多普勒观测量中分别加上0.5 ns和0.5 mm/s的高斯白噪声,其定轨位置误差为0.822 m。结果还表明,相较于单纯使用多普勒数据,加入CVN跟踪的时延数据后,木星重力场带谐项系数解算精度有了明显提高。     

中低轨卫星定轨精度分析

针对轨道高度为１ ０００ ｋｍ 左右的近圆轨道卫星进行动力学定轨分析。通过对大气模型、地球重力场模型、系统误差、测轨站站址误差等对定轨的影响进行分析, 分析了影响中等轨道的主要误差源。该卫星轨道确定精度为外推三圈优于２００ ｍ 。     

基于星载GPS的CHAMP卫星精密简动力定轨

定轨是地球探测卫星任务顺利执行的关键。星载GPS技术提供了大量、连续的高低卫星跟踪观测,为低轨卫星精密定轨提供了技术支撑。为了确定CHAMP卫星的轨道,并分析定轨精度,利用CHAMP卫星星载GPS数据,运用零差简动力法进行精密定轨,给出了精密定轨流程。利用实际数据进行了精密定轨实验,结果与德国地学研究中心（GFZ）公布的CHAMP卫星快速轨道（RSO）进行了对比,结果显示：求解轨道可以达到厘米量级。     

星载光学天文定位的空间目标轨道确定方法

针对地基测量存在时间与空间上的盲区问题,该文研究了天基光学跟踪轨道确定方法,对天基光学测量天文图像处理原理、平台轨道设计问题进行了研究。详细给出了数值法天基光学轨道确定的动力学定轨过程。通过低轨地球轨道(LEO)卫星对中轨地球轨道(MEO)卫星测定轨,在平台轨道误差20 m,测量精度5″,2 d弧长定轨情况下定轨精度达到几十米。LEO平台对地球静止轨道(GEO)平台在平台轨道误差20 m,测量精度5″,轨道确定精度在200 m以内。在LEO跟踪GEO时候,因任务的需求可能会存在单圈次只能短时测量的情况,针对只有单圈30 s的测量弧段,3圈可以达到千米量级,而5圈则可以达到几百米定轨精度。通过对不同场景下的轨道确定精度分析,证实了该文方法的有效性,为相关非合作目标定轨提供一定的参考。     

木星探测器Juno精密定轨分析及低阶引力场解算

随着中国深空测控技术的进步和深空探测计划的推进,木星探测计划已经进入日程,木星探测器的精密定轨和木星的引力场的解算是木星探测中的重要研究内容。首先给出了木星探测器的坐标系统和动力学模型,并利用已公布的朱诺号木星探测器精密星历数据进行验证,动力学拟合结果与参考星历的位置偏差在10 m量级,速度偏差小于6 mm/s;然后利用深空多普勒测量模型处理已经发布的朱诺号无线电测量数据进行精密定轨,结果与参考星历的差距在数百米量级;最后利用仿真数据验证引力场系数解算的可靠性,并利用朱诺号探测器4个近木点附近的实测数据解算引力场系数,得到了截至8阶的带谐项系数。     

定位归算在嫦娥四号中继星变轨阶段的应用

2018-06嫦娥四号中继星发射任务圆满完成,为2018-12的嫦娥四号月球背面降落任务打下良好的基础,其中甚长基线干涉测量技术(very long baseline interferometry,VLBI)测轨分系统在卫星的定位、变轨等方面起到了重要的作用。统计了嫦娥四号中继星任务实时阶段VLBI观测的时延、时延率和定位结果的精度,讨论了定位归算在嫦娥四号中继星轨控弧段实时轨迹监测中的应用。在中继星进入Halo轨道的过程中,能够实时监测到定位归算结果给出的轨道根数变化,以实时监测变轨情况,并通过事后与定轨结果比对,判断定位结果的正确性与准确性,从而为后续飞行任务提供了一种新的Halo轨道实时监测的方法。     

单中继星单低轨卫星的联合定轨精度分析

针对由单中继星和单低轨卫星组成的联合定轨系统,给出了系统内不同轨道卫星摄动项的选取方案和卫星间的可见性判别模型。在模拟出含有白噪声的四程测距观测数据文件的基础上,研究了测距精度和采样弧段对联合定轨中高、低轨卫星定轨精度的影响。得出如下结论：联合定轨更有利于对低轨卫星的轨道改进;同样的采样时间条件下,测距噪声越小定轨精度越高,并且采样时间越短它的影响越明显;同样的测距噪声条件下,所用资料的采样时间越长精度越高,但当测距精度很高时,TDRS达到最好定轨精度所需的采样时间相应有所缩短。并在定出轨道后进行了轨道预报,分析了轨道预报的趋势及精度。     

单中继星单低轨卫星的联合定轨精度分析

针对由单中继星和单低轨卫星组成的联合定轨系统,给出了系统内不同轨道卫星摄动项的选取方案和卫星间的可见性判别模型。在模拟出含有白噪声的四程测距观测数据文件的基础上,研究了测距精度和采样弧段对联合定轨中高、低轨卫星定轨精度的影响。得出如下结论:联合定轨更有利于对低轨卫星的轨道改进;同样的采样时间条件下,测距噪声越小定轨精度越高,并且采样时间越短它的影响越明显;同样的测距噪声条件下,所用资料的采样时间越长精度越高,但当测距精度很高时,TDRS达到最好定轨精度所需的采样时间相应有所缩短。并在定出轨道后进行了轨道预报,分析了轨道预报的趋势及精度。     

监测站时间同步条件下的单星定轨

基于伪距及载波相位观测量的COMPASS-M1卫星精密定轨中轨道误差与钟差分离问题是制约卫星定轨精度提高的主要因素之一。本文首先介绍了基于监测站时间同步条件下精密定轨原理,然后通过对卫星钟差建模,采用动力学方法利用国内五站实测数据对COMPASS-M1卫星进行了轨道确定,并利用轨道重叠弧段法及实测激光数据对定轨精度作了检核。结果表明,基于目前监测站时间同步技术,利用相位平滑伪距定轨能达到10m以内精度。     

多GNSS融合精密轨道确定与精度分析

采用MGEX和IGS跟踪网数据,基于PANDA软件实现了同一时空基准框架下的GPS/GLONASS/BDS/Galileo四系统融合精密定轨,采用单天解边界不符值评定轨道精度。对2014年7月至12月6个多月的GNSS融合精密定轨精度、各单系统独立定轨精度进行比较,结果表明:GPS轨道精度与单系统定轨精度基本相当;GLONASS和BDS轨道精度均优于各单系统定轨精度,尤其是BDS卫星,其GEO、IGSO、MEO卫星平均三维轨道精度分别提高了24%、42%、63%;在多GNSS融合精密定轨中,Galileo卫星径向、法向、切向平均精度分别为9.53、8.20、20.17 cm。动态PPP验证结果表明:相比于单系统解算,多系统组合解可以显著加快收敛速度,同时提高了定位精度。     

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统（BDS-3）已经于2018年年底建成基本系统，并计划于2020年建成完整系统，而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道（MEO）卫星，评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度，利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测，进行了联合卫星轨道测定试验，并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较，分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明：北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9 cm，测距精度约为4.4 cm；仅采用区域测站定轨，重叠弧段三维位置误差RMS为66.7 cm，加入星间链路后可降低至15.4 cm，提高了76.9%，24 h轨道预报位置精度也由114.1 cm提升至20.3 cm，提升了83.2%，激光检核径向精度为8.4 cm左右，明显优于北斗二号卫星轨道精度。