CAPS系统中iHCO卫星轨道演化分析

中国区域定位系统(Chinese Area Positioning System,CAPS)拟采用比地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)高150~300 km的倾斜高圆轨道(inclined Highly Circular Orbit,i HCO)卫星组建导航通信星座。分析了在多种摄动力和卫星入轨偏差作用下的倾斜高圆轨道卫星的轨道演化过程。该项工作可用于倾斜高圆轨道的优化设计,为利用倾斜高圆轨道卫星组建优良的中国区域定位系统导航通信星座提供参考。     

基于不同轨道高度iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究

基于通信卫星的导航系统可以利用比地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit,GEO）高约200 km的倾斜高圆轨道（inclined Highly Circular Orbit,iHCO）通信卫星组成导航星座.结合两种轨道高度的倾斜高圆轨道通信卫星,仿真分析了利用倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统（Chinese Area Positioning System,CAPS）的导航性能,并讨论了利用倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统实现中国区域覆盖的最佳星座布局.     

基于iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究

中国区域定位系统(Chinese Area Positioning System,CAPS)把寿命末期的地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)通信卫星推到比GEO轨道高约200 km的倾斜高圆轨道(inclined Highly Circular Orbit,iHCO),卫星相对地球向西漂移。利用该类卫星组建CAPS导航星座,可以实现全球范围内的导航通信覆盖。重点开展基于iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究,结果表明:利用GEO通信卫星和iHCO通信卫星组成的星座可以实现较好的空间星座布局,可以满足一般导航用户的需要。     

北斗三号卫星精密定轨中的光压模型研究

对于在轨运行的BDS (BeiDou Navigation Satellite System)卫星, 太阳光压是作用在卫星上主要的非引力摄动. 受多种因素的影响, 太阳光压摄动力难以精确建模, 是BDS卫星精密定轨和轨道预报过程中重要的误差来源. 由于ECOMC (Empirical CODE Orbit Model 1 and 2 Combined)模型兼顾了ECOM1 (Empirical CODE Orbit Model 1)和ECOM2 (Empirical CODE Orbit Model 2)模型的特点, 在模型中引入了较多的待估参数, 使得参数之间存在强相关性. 针对ECOMC模型的这一缺陷, 文中收集了2019年1月至2022年4月武汉大学分析中心提供的BDS-3卫星精密星历, 采用动力学轨道拟合方法得到了ECOMC模型的13个光压参数. 通过对该模型的光压参数进行时间序列分析, 分别给出了BDS-3 IGSO (Inclined Geosynchronous Orbit)和MEO (Medium Earth Orbit)卫星光压模型的参数选择策略. 并利用轨道拟合和轨道预报试验, 验证了光压模型参数选择策略的合理性. 结果表明, 采用改进型ECOMC模型进行BDS-3 IGSO和MEO卫星轨道拟合的效果最佳, 同时, 也能够提升BDS-3 IGSO和MEO卫星中长期轨道预报的精度.     

小倾角LEO多星天基平台光学跟踪GEO精密定轨

针对地基卫星测控系统(Tracking Telemetry and Command, TT&C)系统对地球静止轨道(Geostation-\lk ary Earth Orbit, GEO)卫星在空间和时间覆盖上的局限性, 提出小倾角低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)多星组网天基平台对GEO卫星进行跟踪定轨的方法. 根据空间环境和光学可视条件对仿真数据进行筛选以模拟真实的观测场景, 利用光学测角数据, 使用数值方法对GEO卫星的轨道进行确定. 结果与参考轨道进行重叠对比, 在平台轨道精度5 m、测量精度5rq\rq、 定轨弧长12 h的情况下, 两颗LEO卫星对GEO卫星进行跟踪定轨的精度可达到千米量级, 4颗LEO卫星对GEO目标进行跟踪定轨的精度可达到百米量级. 随着LEO组网卫星数量的增加, 定轨精度得到了较大的提高.     

基于CEI测量的GEO目标快速轨道恢复

连线干涉测量(Connected Element Interferometry, CEI)是一种全天时全天候的被动测角技术, 已用于空间目标的跟踪监视. 地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)卫星需要频繁机动以保持轨位或完成其他任务, 其机动后的快速轨道恢复能力对于监视预警极为重要. 针对基于CEI的GEO短弧定轨和预报, 分析了定轨算法的形亏和数亏, 在附加先验轨道约束的短弧定轨基础上, 提出了轨道半长轴初值的自适应优化方法. 利用亚太七号卫星的CEI仿真和实测数据进行了短弧定轨和预报, 实验结果表明, 采用优化后的半长轴初值, 30min短弧定轨和10min预报的卫星位置分量精度均优于4km, 能够满足非合作GEO目标机动后快速轨道恢复的需求.     

卫星跟踪卫星模式中轨道参数需求分析

首次基于半解析法利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)双星K波段星间速度误差、GPS接收机轨道误差和加速度计非保守力误差影响累计大地水准面精度的联合模型开展了卫星跟踪卫星模式中轨道参数的需求分析.建议我国将来首颗重力卫星的平均轨道高度设计为400 km和平均星间距离设计为220 km较优.此研究不仅为我国将来卫星重力测量计划中轨道参数的优化选取以及全球重力场精度的有效和快速估计提供了理论基础和计算保证,同时对将来国际GRACE Follow-On地球重力测量计划和GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)月球重力探测计划的发展方向具有一定的指导意义.     

利用Bernese5.0软件实现LEO卫星精密定轨

越来越多的LEO卫星装载了高精度的星载GPS接收机,星载GPS定轨已成为LEO卫星精密定轨的重要手段之一。星载GPS精密定轨精度依赖于GPS星历及钟差精度,采用CODE(Center for Orbit Determination in Europe)官方网站提供的GPS精密星历及钟差数据,基于瑞士伯尼尔大学开发的Bernese 5.0软件,采用非差减缩动力学定轨方法,解算了60天的CHAMP卫星和SAC-C卫星轨道,并将所得轨道与JPL和GFZ事后科学轨道比较,得出的轨道位置三维精度优于20 cm量级,速度三维精度约为0.20 mm/s。     

GEO空间碎片光度测量标定方法的研究

基于GEO卫星、太阳和观测站的空间几何关系,建立了消除太阳赤纬角对地球同步轨道( Geostationary Orbit,GEO)卫星光学特性的影响的方法.以三轴稳定GEO盒状卫星缩比模型为研究样本,在不同太阳赤纬角下进行仿真实验光度测量,研究太阳赤纬角和相位角的空间几何关系,得出消除太阳赤纬角对其辐亮度值以及以相位角...     

星基增强系统10参数广播星历拟合分析

为满足多种卫星轨道的应用需求,在星基增强系统新增的L5信号接口中重新设计了一种10参数星历模型。使用2016年北斗卫星系统地球同步轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中地球轨道卫星的精密轨道数据,在内符合精度、拟合成功率以及运算速度等方面,分别评估了10参数星历模型在这些卫星轨道上的拟合效果。试验结果表明,10参数星历模型可以保证10~(-3)cm左右的内符合精度。但地球同步轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星的拟合成功率分别为89.36%和99.17%。尝试去除idot参数以解决拟合失败的问题,结果表明,该处理可以实现100%的拟合成功率,但拟合误差有所上升,且对不同的轨道类型,拟合运算速度有不同程度的提升或下降。     

北斗卫星单系统精密定轨方法对比分析

提出了联合使用载波相位和相位平滑伪距实现北斗卫星双差动力法精密定轨,给出了北斗卫星非差动力法和双差动力法精密定轨的数据处理流程,分析了两种方法的异同.结合实测数据,对比了两种方法的实际定轨效果,结果表明:一定测站布局下,利用两种方法,GEO(Geostationary Earth Orbit Satellite)卫星3维精密定轨精度均能达到1 m左右量级,IGSO(Inclined Geosynchronous Earth Orbit Satellite)和MEO(Medium Earth Orbit Satellite)卫星优于0.5 m,3类卫星的径向定轨精度均优于10 cm.较之非差动力法,双差动力法对GEO卫星精密定轨精度具有一定的改善作用,两者在IGSO卫星精密定轨上效果基本相当,但在MEO卫星定轨上,非差动力法结果更优.     

SGP4/SDP4模型预报可靠性分析

以激光测距资料精密定轨结果为参考轨道,分析了两种典型版本SGP4/SDP4模型对低、中、高轨道卫星预报误差的放大规律,当预报超过一定的圈数后误差成指数增长.数值试验结果表明:对低、中、高轨卫星预报误差无显著放大圈数分别是(h≤300 km),40;(300 km≤h≤1 200 km),150;(1 200 km≤h≤10 000 km),300;半同步卫星(19 000km≤h≤22 000 km),55;同步卫星(33 000 km≤h≤38 000 km),10.并图示出参考卫星轨道预报误差的放大规律,供工程中利用双行根数和SGP4/SDP4模型作轨道预报时参考.     

月球重力场对绕月低轨卫星的长期影响

从解析形式出发,利用月球重力场模型JGL165P1,分析了月球重力场(带谐项)对绕月低轨卫星的长期影响。为了减少计算误差,保证计算精度,在分析解中使用循环公式来计算倾角函数。结果指出对于一个高度为100km的极月轨道卫星,冻结轨道存在的可能性不大,但是当轨道倾角在i=90°附近或者高度再高一些,则有可能存在冻结轨道;对于100km高的初始圆轨道,卫星在无控的情况下半年内将会坠落到月球表面,如果高度增加到200km,则不进行轨道控制也不会坠落到月面上。利用仿真软件GEODYN解算出来的结果证实了上述结论。     

中高轨卫星广播星历精度分析

GPS广播星历参数具有物理意义明确、参数少、精度高等优点,可以考虑将它应用于其他卫星导航系统。但是GPS系统的卫星构成比较单一,而其他卫星导航系统可能包含中地球轨道 (MEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和地球静止轨道(GEO)等多种不同类型的中高轨卫星。分析了采用GPS广播星历参数时,MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度,特别讨论了轨道倾角接近于0的GEO卫星的广播星历拟合精度,并给出了相应的改进措施。计算表明,对于 MEO卫星,2 h的广播星历拟合精度(三维位置)可达厘米级;对于IGSO卫星和轨道倾角较大的GEO卫星,4 h的广播星历拟合精度约为0．1 m,径向位置误差在厘米量级;而对于轨道倾角接近于0的GEO卫星,若不采取特殊措施,由于轨道倾角和升交点经度统计相关,其广播星历拟合精度很差,为此提出了一种坐标转换方法。采用此方法后的广播星历拟合精度可达0．1 m,径向位置误差为厘米量级。     

星载GPS相位观测值非差运动学定轨探讨

在几何法、动力学法和减缩动力学法定轨基础上，探讨了星载GPS相位观测值非差运动学定轨方法及其实现程序。该方法无需复杂的力学模型和地面资料，只需LEO(Low Earth Orbit)卫星上的GPS数据和IGS的GPS精密星历产品，它计算简单、方便，能快速、高精度地确定轨道，同时，还能确定一些动力学参数，但没有轨道预报功能；针对法方程系数矩阵比较庞大，提出了矩阵分块、上三角化的参数解算方法，并用CHAMP卫星资料分析了上述方法的定轨精度。     

GIM在LEO卫星单频GPS定轨中的应用

电离层延迟误差是单频GPS(Global Positioning System)数据最主要的误差源,为提高基于单频GPS数据的LEO(Low Earth Orbiting)卫星定轨精度,必须消除/减弱GPS观测数据中电离层延迟影响.研究了全球电离层模型GIM(Global IonosphericMaps)在基于单频GPS伪距数据的低轨卫星运动学和动力学定轨中的应用,并通过估算电离层尺度因子的方法消除C/A码伪距观测量中电离层延迟影响.由于LEO卫星星载GPS信号受电离层延迟影响与卫星轨道高度相关,选取了轨道高度在300～800 km的CHAMP(CHAllenging Mini-satellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery AndClimate Experiment)、TerraSAR-X及SAC-C等LEO卫星C/A码伪距观测量作为试算数据.CHAMP等卫星实测数据计算结果表明:以JPL(Jet Propulsion Laboratory)发布的GIM模型作为背景模型,通过电离层比例因子法能很好地消除C/A码伪距观测量中电离层延迟影响,提高LEO卫星运动学和动力学定轨精度,其中,CHAMP卫星轨道最低,受电离层延迟影响最严重,定轨精度提高最显著,分别为55.6%和47.6%;SAC-C卫星轨道高度最高,受电离层延迟影响最小,相应的定轨精度提高幅度也最低,分别为47.8%和38.2%.     

太阳光压模型中面质比误差对IGSO卫星轨道预报的影响分析

太阳光压是影响高轨卫星轨道精密确定的主要因子之一,这种摄动的有效模制将进一步改进卫星轨道的预报精度.主要对太阳光压模型中面质比误差对地球倾斜同步轨道卫星轨道预报的影响进行了分析.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星位置预报影响仿真结果显示:一天内前16h,x、z分量的预报误差幅度相对较小,y分量误差相对较大;一天内最后8h,x、y、z各分量误差发散明显,但z分量的误差发散程度较大.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星速度预报影响仿真结果显示,一天内,x、y、z各分量的预报误差幅度不超过1 mm/s.     

针对低轨星座的空间信号测距误差投影系数确定

随着低轨星座建设的不断推进,计算卫星空间信号测距误差(signal in space range error,SISRE)的面向对象不再局限于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)的地面用户,还包括GNSS的低轨星载用户和低轨导航系统地面用户。为更好地支持基于低轨星座SISRE的解算,根据SISRE的计算原理,分别研究了低轨星载用户和低轨卫星地面用户的SISRE误差投影系数的特征。计算结果显示,GNSS卫星对地面用户的误差投影系数并不适用于低轨星载用户及低轨导航星座地面用户。当低轨卫星轨道高度由2 000 km降低至300 km时,GNSS卫星对低轨星载接收机的轨道径向误差投影系数由0.96增加到0.98,轨道切法平面误差投影系数由0.20降低至0.15;低轨卫星对地面用户的轨道径向误差投影系数从0.72降至0.37,轨道切法平面误差投影系数从0.49增加至0.66。上述结果可为未来低轨卫星相关的空间信号测距误差分析以及低轨完好性研究提供重要参考。     

多层卫星网络星间链路性能分析与设计

对多层卫星网络星间链路各参数之间的关系进行了分析,分别在S和Ka波段上分析计算了GEO(对地静止轨道)-IGSO(倾斜同步轨道)、GEO-MEO(中轨道)和IGSO-MEO卫星间的星间链路参数Eb/N0、发射功率、天线直径和数据速率间的关系。根据计算结果对星间链路的性能进行了分析,在分析计算的基础上得到了一些规律性的结论,这些结论可应用于星间链路的设计与建立。     

关于共线平动点的特征及其在深空探测中的应用

系统阐述了小天体运动对应的圆型限制性三体问题共线平动点的强不稳定性特征,以及其附近的条件周期轨道——晕轨道(Halo Orbit)的存在、相应解的构造。这种特殊的轨道形式和共线平动点附近的弱稳定走廊,可分别用于在深空特殊位置附近定点有各种科学探测目标的探测器和向节能轨道过渡的通道。