基于SGP4模型的空间站跟踪算法

中国空间站天和核心舱的成功发射标志着我国空间站在轨组装建设进入全面实施阶段。空间站入轨运行后,实现地面站对空间站的跟踪观测是获取科学数据的前提。本文根据空间站TLE轨道参数,基于现有的简化常规摄动（SGP4）模型,研究地面观测站地平式设备观测空间站的跟踪角度的计算算法;根据研究方法计算西安站观测空间站的跟踪角度,并与利用STK软件的计算结果进行对比,发现两者差值小于0.001°,证明了该算法的正确性;在此基础上,进一步研究TLE轨道参数的有效预报时长,为地面站观测空间站等低轨目标提供支持。     

基于SDP4模型的导航卫星仰角及方位角预报

地面站可控天线可以不借助接收机而直接监测导航卫星的信号质量,地面天线伺服系统根据卫星的实时位置计算出仰角及方位角来确定天线的指向。广播星历及历书等常用的计算卫星位置的方法虽误差较小,但其误差随时间迅速扩大,基于该问题,论文论述了双行星历（TLE）结合SDP4模型进行卫星轨道预报方法,利用SDP4模型计算GPS导航卫星的实时位置并预报卫星的仰角及方位角,采用IGS 事后精密星历对其角度预报误差进行了评估,同时,还将该方法的预报误差与广播星历、历书、STK高精度轨道预报等方法的预报误差进行了对比。实验结果表明：采用SDP4模型对导航卫星进行位置预报可满足误差要求,且时间有效性长、通用性好,具备实际应用价值。     

空间目标激光测距轨道预报研究

为了实现地面卫星激光观测站对空间目标的轨道预报,设计了空间目标激光测距轨道预报软件。首先,利用空间目标的两行根数结合轨道外推算法,计算出空间目标在地心惯性坐标系下的坐标;其次,通过空间目标、地心和观测站三者之间的坐标系转换,计算出空间目标相对于站心坐标系下的位置;再次,根据空间目标相对地面激光观测站的方位角和俯仰角,画出空间目标的测站预报图;最后,以北斗卫星的测站预报实例对该软件进行验证,所得出的测站轨道预报图与同类商业软件的图结果一致。结果表明,该软件能够为地面观测站捕获空间目标,并同步跟踪其轨道运行提供测站轨道预报服务。     

GNSS技术在GEO、IGSO航天器中的导航精度与适用性分析

现阶段高轨道航天器导航主要依靠地基测控系统,为了研究全球卫星导航系统(GNSS)技术用于高轨道航天器导航的可行性,对GNSS技术在地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星航天器中的导航精度及适用性展开了分析研究. 采用2021年11月9日的两行轨道数据(TLE)仿真GNSS星座,以不同星下点的GEO卫星和不同倾角的IGSO卫星作为目标星展开导航仿真试验. 实验结果表明:为了满足GNSS解算所需的卫星数量,须通过接收旁瓣信号来增加可见卫星数目. 对GEO目标星而言,当接收机灵敏度高于?169 dB时,导航精度可达30 m;利用GPS对7个不同的GEO或IGSO轨道目标星进行导航实验表明,GPS对目标星导航的位置误差约为35 m;北斗三号(BDS-3)、GPS、GLONASS、Galileo的导航位置误差均值分别为28.03 m、21.16 m、37.15 m、25.09 m,具有良好的内符合精度,其中GPS精度最高,GLONASS精度最低,但大部分时段也在45 m内.      

基于静地特性的GEO带目标混合函数型星历表征设计

地球同步轨道(GEO)卫星带是一类独具高空战略地位的轨道资源.长期以来GEO带编目目标采用双行轨道根数(TLE)和简化常规/深空摄动4模型(SGP4/SDP4)进行通用轨道计算,但该解析算法存在外推精度受限、使用过程复杂、用户难以理解等缺点.本文针对GEO的静地特性,结合经典开普勒根数和多项式-傅里叶级数设计了混合函数型参数星历模型,可用于高精度数值积分轨道的12～24 h轨位拟合和多组星历参数的同步发布,用户计算模型简单.对三颗代表性GEO目标为期一年的星历参数拟合实验表明,1 d拟合均方根(RMS)均值优于20 m;当缩短拟合时长至12 h,拟合精度可优于0.15 m.可为我国空间目标编目库的分级管理提供参考.     

基于TLE的空间目标碰撞预警计算

地球轨道上数量日益增长的空间飞行物体对在轨航天器及人类航天活动构成了严重威胁.分析了空间目标两行轨道根数(TLE)的格式及构成;阐述了相应的SGP4/SDP4轨道近似解析解模型算法;提供了轨道坐标系和惯性坐标系之间的转换关系;利用TLE数据和SGP4/SDP4模型进行了空间目标碰撞预警计算.该方法对于航天器初步威胁评估具有重要意义.     

航天器轨道向导式设计器的设计与实现

航天器轨道设计因卫星应用目的和总体设计方案的不同而灵活多样.文中在对航天器轨道设计方法归纳总结的基础上,采用组件方式设计了向导式轨道设计器.该设计器能够实现太阳同步轨道等典型轨道的初始轨道设计任务,通过与卫星工具软件(STK)设计结果的比较,验证了设计器的正确性.     

SDP4模型用于北斗导航卫星轨道预报的精度分析

为了实现对北斗导航卫星的监测与跟踪,需要对其轨道进行预报。利用双行星历(TLE)采用SDP4模型对北斗导航系统的3类卫星(GEO、IGSO、MEO)进行轨道预报,并对比了Trimble公司的接收机历书星历和HPOP高精度轨道外推模型预报出的星历,采用GFZ公布的北斗精密星历对其预报精度进行了评估。分析表明,SDP4模型计算速度快,可以实现对于北斗导航卫星的轨道预报,满足跟踪和监测的精度要求,具有实用价值;该模型对于MEO卫星轨道预报效果最好,IGSO卫星次之,GEO卫星最差;3日以内的短期轨道预报可以采用历书星历或者HPOP外推模型预报的星历,但是3日以上轨道预报利用SDP4模型更好;对不同预报时间下的预报轨道可以使用的领域提出了建议。     

基于TLE的空间目标碰撞预警计算

地球轨道上数量日益增长的空间飞行物体对在轨航天器及人类航天活动构成了严重威胁。分析了空间目标两行轨道根数(TLE)的格式及构成;阐述了相应的SGP4/SDP4轨道近似解析解模型算法;提供了轨道坐标系和惯性坐标系之间的转换关系;利用TLE数据和SGP4/SDP4模型进行了空间目标碰撞预警计算。该方法对于航天器初步威胁评估具有重要意义。     

萤火一号火星探测器的轨道设计和STK仿真

研究了行星际轨道的基本设计参数和设计方法.首先介绍了Lambert问题及其对基本设计参数的求解,然后利用Lambert问题解生成的PCP图搜索了全局最优的20092010年发射窗口,并利用卫星软件工具包(STK)模拟了萤火一号(YH-1)在复杂力模型下主要飞行轨道的全过程.计算和仿真结果表明,Lambert问题解与STK相结合,可以有效地建立行星际飞行的复杂设计轨道.     

航天器轨道向导式设计器的设计与实现

航天器轨道设计因卫星应用目的和总体设计方案的不同而灵活多样。文中在对航天器轨道设计方法归纳总结的基础上,采用组件方式设计了向导式轨道设计器。该设计器能够实现太阳同步轨道等典型轨道的初始轨道设计任务,通过与卫星工具软件(STK)设计结果的比较,验证了设计器的正确性。     

基于GNSS天线阵列的定姿方法研究

针对车载移动测量系统对运动载体姿态的确定,研究车载全球卫星导航系统(GNSS)天线阵列定姿方法,分析直接法和最小二乘法定姿的姿态解算公式,并进行GNSS天线阵列车载实验. 为得到两种定姿方法的精度,在不同软件定位模式解算的基础上,利用直接法和最小二乘法进行了姿态解算. 实验和分析结果表明:四天线阵列最小二乘法定姿精度优于三天线阵列直接法,可靠性更高;在所有组合中,基于Moving-base定位模式的四天线阵列最小二乘法定姿精度最高,其航向角、俯仰角和横滚角精度分别可达0.066 0°、0.168 4°和0.267 8°.      

基于平方根信息滤波的北斗卫星实时定轨方法

连续、稳定、高精度的实时卫星轨道产品是北斗国际化、规模化、智能化应用的重要前提.当前，北斗卫星导航系统(BDS)的实时精密轨道产品多基于“批处理解算+轨道预报”的超快速模式获得，存在连续性较差、稳定性较低、精度不高等问题.为此，本文采用平方根信息滤波(SRIF)方法对北斗卫星精密轨道进行实时逐历元解算.实验结果表明：相比于超快速定轨模式，基于实时滤波方法的轨道产品能够有效避免边界跳变，具有更好的连续性和稳定性；同时，实时滤波定轨方法能够显著提高BDS的轨道精度，其中中轨道地球卫星(MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)的三维轨道误差分别减小了46%和68%，卫星激光测距(SLR)检核精度也普遍优于预报轨道.     

利用LP多普勒数据解算月球重力场模型的分析

利用GSFC/NASA提供的GEODYNII/SOLVE软件处理月球探测器LP(Lunar Prospector)扩展任务阶段最后3个月的测速和测距跟踪数据,解算月球重力场模型,比较分析全部位系数解算和部分中高阶次位系数解算2种方法,并对2种方法解算得到的模型进行阶方差分析.同时通过轨道残差、重复轨道误差以及模型大地水准面等几个方面对基于部分中高阶次住系数解算的有效性和得到的模型进行精度评估.结果表明基于部分中高阶次位系数解算的方法进行恢复月球重力场是可行的.该方法将用于"嫦娥工程"中月球重力场的解析.     

萤火一号火星探测器的轨道设计和STK仿真

研究了行星际轨道的基本设计参数和设计方法。首先介绍了Lambert问题及其对基本设计参数的求解,然后利用Lambert问题解生成的PCP图搜索了全局最优的2009~2010年发射窗口,并利用卫星软件工具包(STK)模拟了萤火一号(YH-1)在复杂力模型下主要飞行轨道的全过程。计算和仿真结果表明,Lambert问题解与STK相结合,可以有效地建立行星际飞行的复杂设计轨道。     

不同轨道类型LEO卫星轨道拟合及预报精度研究

低轨道地球卫星(LEO)的精度直接影响到LEO卫星的应用领域,因此研究合适的模型提高LEO卫星轨道插值/预报精度是一项很有意义且必要的工作. 本文详细研究了滑动切比雪夫多项式、克里金算法在不同类型LEO轨道的拟合、预报精度. 结果表明:采用合适的拟合策略,两种算法均能获得毫米级的插值精度;相较于滑动切比雪夫多项式,克里金算法拟合轨道的空间误差分布更为集中,未随着历元变化出现大幅波动. 克里金算法预报轨道的精度低于滑动切比雪夫多项式;采用克里金算法预报60 s,各颗LEO卫星轨道预报的精度在1~2.5 m;采用滑动切比雪夫多项式预报120 s,各颗LEO卫星可获得优于5 m的轨道精度.      

基于样本自动选择与SVM结合的海岸线遥感自动提取

利用卫星遥感手段自动、快速、准确地测定海岸线动态信息是遥感应用的一个重要领域,对海域管理规划具有重要意义.由于近岸水体光谱特征受区域环境影响较大,在水陆分离过程中,利用传统的归一化差值水体指数(normalized difference water index,NDWI)阈值分割法时,一部分近岸水体易被错分为陆地,严重影响了岸线提取精度.为此,在NDWI模型的基础上,提出了基于样本自动选择与支持向量机(support vector machine,SVM)的海岸线遥感自动提取算法.首先进行NDWI计算与全局阈值分割,实现水体信息的初步提取;再通过NDWI信息控制初始样本的自动选择;然后利用SVM分类器对水体再次分类,实现海陆分离;最后填充小的陆地水体单元,实现岸线自动跟踪.实验结果表明,该方法能有效增强对近岸水体的识别能力,提高海岸线遥感提取的精度和自动化程度.     

基于TLE时序的GEO目标东西机动预报

赤道带GEO非合作目标的频繁机动监测是空间态势感知的重要工作.文中给出了GEO卫星东西漂移律和周期性位置保持机动原理,指出相关轨道特征参数有规律性跃变;利用公开下载的双行轨道根数TLE(Two-line Element),提出基于平经度及其漂移率的GEO东西机动周期提取和预报方法.为了提高数据源质量,利用SDP4模型将TLE平根数转换为瞬时同步根数;在等间隔数据插值处理后进行快速傅立叶变换提取轨道机动周期并预报.选取北斗GEO卫星进行验证,C02、C03、C59卫星东西机动周期预测结果分别为36.60、22.88、33.27 d,机动预报时刻的偏差在3 d以内,这与TLE更新间隔密切相关.     

SAR卫星轨道数据精度对Doris获取DEM精度的影响研究

本文介绍了InSAR卫星轨道状态矢量内插方法,基于荷兰Delft大学开发的Doris雷达干涉软件分析了SAR卫星轨道数据误差对基线参数、参考椭球面相位、地形干涉相位和数字高程模型(DEM)精度的影响。以西藏玛尼地区为例,采用ERS1/2卫星数据,利用Doris软件,分别生成了基于欧空局(ESA)粗略轨道数据和荷兰Delft大学精密轨道数据的数字高程模型(DEM),并以SRTMDEM为基准对其精度进行了对比分析。结果表明,基于粗轨数据获取的DEM明显存在系统偏差,而基于精轨数据获取的DEM与SRTM DEM吻合的很好,相对于前者,精度提高5倍。     

FPLL载波跟踪环仿真及高动态GPS信号测试

针对高动态环境下普通GPS接收机跟踪环路容易失锁的问题,考虑到锁频环动态性能好、锁相环跟踪精度高的特点,实现了二阶锁频环辅助三阶锁相环的载波跟踪环(FPLL)。根据FPLL结构原理和误差分析理论,提出了一种FPLL环路的码相位和载波相位精度分析方法。借助GPS软件接收机平台,在Matlab环境下仿真实现了FPLL载波跟踪环,并利用Spirent GSS7700仿真器采集高动态GPS模拟信号对FPLL环路进行了测试。测试结果和精度分析表明,在导航信号的载噪比为40dB-Hz,加速度为26g,加加速度为9g/s的条件下,该高动态跟踪环路能够达到码相位1.31m(1σ),载波相位为4.24×10-3 m/s(1σ)的跟踪精度。