卫星轨道预报的一种分析方法

人造地球卫星的轨道预报是空间环境监测和实时跟踪测量中一个重要环节，由于监测对象众多，要求精度也不太高，通常采用分析法预报．在已有分析法得到t时刻平均根数的基础上给出一种轨道预报方法，由t时刻的平均根数给出该时刻卫星的位置和速度，在此基础上将地球非球形引力摄动的周期项直接用卫星直角坐标的位置和速度分量表示，这样可以避免在计算轨道根数变化的周期项时出现的奇点问题，从而对根数的选择无特殊要求，可适用于各种轨道，简化预报程序和相应的软件，提高预报效率。     

近地卫星运动的坐标系附加摄动在拟平均根数法中的处理

在常用的历元地心天球坐标系中研究和处理近地卫星的轨道问题,就必须考虑由于地球赤道面摆动所引起的坐标系附加摄动,正因为如此,给实际工作带来一些麻烦.关于这一问题,曾提出了一种针对瞬根数和平根数之间的转换(仅与坐标系附加摄动的短周期项有关)的解决途径,但并未涉及采用分析法进行轨道外推的有关问题(这与坐标系附加摄动的长期和长周期项有关),这对处理近地卫星的轨道问题而言显然是不完整的.这里结合拟平均根数法进一步改进原提出的方法,较完善地解决这一坐标系附加摄动的计算问题.在此前提下,对于卫星定轨和预报及其相关工作,无论是采用数值法还是分析法,均可采用同一坐标系,即历元(目前是J2000.0)地心天球坐标系.     

SGP4/SDP4模型精度分析

本文基于最新发布的SGP4/SDP4(Simplified General Perturbation Version 4/Simplified Deep-space Perturbation Version 4)模型设计了一套定轨方案,从空间目标库中挑选出不同类型和轨道参数的1120个目标进行计算,定量给出了SGP4/SDP4模型处理不同类型空间目标的定轨预报精度.结果表明:近地目标定轨精度为百米量级;半同步和同步轨道定轨精度平均为0.7和1.9km.椭圆轨道目标的定轨精度与偏心率有关,除少数e>0.8的椭圆轨道目标,绝大多数椭圆轨道目标定轨误差均小于10km.用SGP4/SDP4模型对近地目标预报3天,半同步轨道预报30天,同步轨道预报15天,椭圆轨道预报1天,预报误差一般不超过40km.     

日月轨道计算对TLE深空编目目标预报精度的影响

双行根数(Two Line Element, TLE)作为一类广泛使用的空间物体编目数据, 其预报精度和误差特性是TLE编目 在空间碎片研究中所要关注的问题之一. TLE编目需要配合SGP4/SDP4 (Simplified General Perturbations 4/Simplified Deep Space 4)模型进行轨道预报, 对深空物体来说, 主要考虑带谐项$J_2$、$J_3$、$J_4$摄动、 第三体日月摄动和特殊轨道共振问题修正等. 其中, SGP4/SDP4模型第三体摄动计算时, 对日月轨道近似采用了长期进动根数和 简单平运动的方式, 在外推10d时存在约2$^\circ$--3${^\circ     

基于历史TLE的空间目标轨道预报误差演化规律研究

北美防空司令部(North American Aerospace Defense Command, NORAD)发布的双行根数(Two Line Element, TLE)是广大航天工作者最常用的轨道根数,与其对应的轨道模型是SGP4/SDP4 (Simplified General Perturbation Version 4/Simplified Deep-space Perturbation Version 4)解析模型.由于TLE中并没有包含相应的轨道精度信息,编目轨道的应用范围受到很大的限制.基于Space-Track网站发布的历史TLE数据和配套的SGP4/SDP4动力学模型,采用定轨标预报的方法统计并生成了大量目标轨道的预报误差,通过对预报轨道的时间区间划分给出了每个目标的预报误差随预报时间变化的拟合系数,并进一步对不同类型轨道预报误差的演化规律和特征进行了分类讨论,给出了4种轨道类型目标的轨道预报误差随时间演化的平均解析模型,为拓展双行根数的应用提供有价值的参考.     

太阳辐射指数F_(10.7)的中期预报方法

在低轨卫星的轨道计算中需要输入太阳辐射指数,它常用来描述太阳活动对高层大气密度的直接影响以及对轨道摄动的间接影响.因此太阳辐射指数的精度将影响轨道预报的精度.以太阳活动27 d短期震荡规律为基础,研究了一种利用135 d的辐射指数历史数据对F_(10.7)进行54 d中期预报的方法,能够预测太阳在未来2个自转周内辐射指数的变化.通过与其他预报方法的比较,表明:(1)该方法显著优于传统的三角函数长期预报法;(2)短期预报7 d时方法略优于美国空间天气预报中心(Space Weather Prediction Center,SWPC)的方法,RMS(Root Mean Square)下降约19%;(3)中期预报27 d时该方法与国内常用的54阶自回归模型精度基本相当,但方法的参数和需要的历史资料都明显减少,在轨道计算中使用更为简便,而且精度稳定,在54 d时预报值和实测值之间的相关系数仍然优于0.92.该方法的特点是只利用辐射指数较少的历史资料,不需要额外的太阳观测资料作支撑,能进行长达54 d的中期预报,为航天任务中的轨道中短期预报提供合理、可靠的辐射指数.     

倾角函数展开及其在分析法轨道预报中的应用

田谐项摄动是分析法轨道预报中的重要部分,其中包含大量倾角函数及其偏导数的计算.由于具有精度更高、速度更快的优点,倾角函数一般通过递推方法计算.以文献中提出的改进Gooding方法为基础,将其给出的程序稍加改进,在计算2–50阶倾角函数时缩短了约24%的计算时间.考虑到分析法预报过程中轨道平倾角变化很小,以泰勒展开式计算倾角函数,可极大提高计算速度,较大程度地减小分析法预报耗时,且引力场阶次越高,减小幅度越大,取50阶时预报耗时缩短了48%.另一方面,以2阶展开式计算倾角函数时,与改进Gooding法相比,分析法预报星历偏差很小.对于500 km高度的低轨卫星,分别以改进Gooding法和2阶泰勒展开式计算倾角函数,预报3天,当地球引力场阶次不高于50时,二者预报星历偏差RMS (Root Mean Square)低于1 mm,且随着轨道高度的增加,预报星历偏差RMS逐渐减小.     

倾角函数的四精度计算试验

倾角函数是天体力学分析理论中一种常用的函数.当把摄动方程展开成时间和根数的形式时需要用到.历史上提出了很多经典的倾角函数递推算法,并在双精度平台下开发了Fortran程序.进行了1次四精度计算倾角函数的试验,结果表明:L平面递推方法的四精度计算精度可达10-22,计算速度比双精度Jacobi方法快6倍.     

太阳质量损失对流星群轨道改变的长期影响

将作者在变质量天体力学所得理论结果应用于太阳质量损失对流星群轨道根数变化的长期效应上。太阳质量损失包括光子辐射和太阳风造成的质量损失。利用G—M型变质量天体轨道根数变化方程的一阶和二阶解对15个流星群轨道半长轴、近日点距离、轨道周期和近日点经度因太阳质量损失造成的每世纪的长期改变效应做了数值计算,并得出计算结果。其计算结果表明,太阳质量损失使流星群轨道半长轴每世纪的改变效应较明显,它们同太阳距离的扩大影响值得关注,但对轨道周期的拉长每世纪的影响甚小,对近日点经度只有量级变化小到可以略而不计。     

基于误差发散规律的低轨卫星大气阻力系数计算方法

低轨卫星轨道预报精度受到大气模型和大气阻力系数精度的制约,给一些高精度的空间和航天任务带来不利影响.提出了一种基于沿迹方向误差发散规律的大气阻力系数计算新方法.首先通过理论推导给出低轨卫星轨道预报中沿迹误差发散的分析表达式,定量描述初值误差和模型误差对沿迹误差的综合影响;提出利用定轨段的基本信息,优选预报段所采用的阻力系数,抑制沿迹误差的发散速率,从而降低沿迹方向预报误差的最大值,提高短期预报精度.以400 km附近的GRACE-A卫星的全弧段星载GPS高精度资料为基础,检验了方法的精度和成功率.结果表明:相对于传统的定轨预报方法,新方法能提高24 h短期预报精度约45%,成功率约71%,总体有效率约86%;方法对低、中、高等3种太阳辐射水平均有效,对于中低等级的地磁扰动也有效,具备较好的应用价值.     

掩星软件OCCULT使用指南（二）

（接上期） 小行星掩星 此程序可以计算小行星、行星和其卫星掩星的预报,预报的结果可以在屏幕上直接显示出来,也可以直接打印或存到文件中。在计算之前,我们首先需要更新小行星轨道根数,有两种方法：一是使用软件自动下载更新（你的电脑里需要安装FTP软件）,使用软件自动下载更新方法如下：     

双行根数编目体系轨道误差研究

大量空间目标的真实轨道无法精确知道,目前只能通过跟踪观测的数据进行定轨来得到估计轨道,而估计的轨道就会有误差.双行根数(TLE)是广泛使用的一种特殊编目轨道根数,其配套的轨道模型为Simplified General Perturbations 4(SGP4)/Simplified Deep-space Perturbations 4(SDP4)模型.编目轨道的精度主要依赖于相应的观测模型和动力学模型,这些模型一般都不会非常准确,往往会有误差,有些误差可能直接导致编目定轨结果在局部为有偏估计.通过理论研究和仿真模拟,分析了动力学模型中地球非球形引力位田谐摄动项对编目轨道精度的影响,发现TLE编目轨道中存在随时间周期变化的系统差,该系统误差甚至可以达到千米量级.几何构型较好的测站分布在一定程度上可以削弱编目定轨中产生的系统误差,由于力学模型的限制,无法彻底消除.     

空间碎片轨道预报中动力学模型基准的选取

在不同的轨道预报场景中, 使用的动力学模型也不同. 例如, 在低轨空间碎片的预报中大气阻力是十分重要的摄动力, 而到了中高轨, 大气阻力就可以忽略不计. 如何为不同轨道类型的空间碎片选择最优(满足精度要求下的最简)动力学模型还没有系统、详尽的研究. 将对不同精度需求、不同轨道类型下的大批量轨道进行预报, 通过比较不同动力学模型下的预报结果, 给出各种预报场景的最优动力学模型建议. 可以为不同轨道类型的空间碎片在轨道预报时选择基准动力学模型提供参考或标准.     

在电离中电感应阻力对带电卫星轨道根数的摄动影响

研究了在高空电离层中运动的带电荷的卫星受电感应阻力后对轨道根数产生的摄动影响。研究结果表明 ,电感应阻力对带电卫星的轨道半长轴、轨道偏心率、近地点赤经、历元平赤经均有周期摄动影响 ,但除对半长轴有长期摄动效应外对其它轨道根数均无长期摄动。轨道倾角和升交点赤经不受摄动影响。文中以飞行在高度 1 50 0km的电离层中的导体卫星作为算例。计算结果显示 :带电导体卫星在高空电离层中带有一定电量时电感应阻力对轨道半长轴的缩短产生显著效应     

天体自转因素导致的相对论性效应

本文在PPN框架中得到了太用系内自转因素产生的瞬时轨道根数改正的一阶封闭分析解.轨道半长径和偏心率不受长期效应的影响,只受周期效应的影响;轨道倾角、升交点经度、近星点角距,平近点角既受长期效应又受周期效应的影响.我们用两种引力理论分别计算了太阳自转对地内大行星及—些小行星轨道,行星自转对自然卫星轨道,地球自转对人造卫星轨道所产生的各相对论性效应.     

在电离中电感应阻力对带电卫星轨道根数的摄动影响

研究了在高空电离层中运动的带电荷的卫星受电感应阻力后对轨道根数产生的摄动影响。研究结果表明，电感应阻力对带电卫星的轨道半长轴、轨道偏心率、近地点赤经、历元平赤经均有周期摄动影响，但除对半生长轴有长期摄动效应外对其它轨道根数均无长期摄动。轨道倾角和升交点赤经不受摄动影响。文中以飞行在高度1500km的电离层中的导体卫星作为算例。计算结果显示：带电导体卫星在高空电离层中带有一定电量时电感应阻力对轨道半长轴的缩短产生显著效应。     

任意倾角的共轨运动研究

共轨运动天体与摄动天体的半长径相同,处于1:1平运动共振中.太阳系内多个行星的特洛伊天体即为处于蝌蚪形轨道的共轨运动天体,其中一些高轨道倾角特洛伊天体的轨道运动与来源仍未被完全理解.利用一个新发展的适用于处理1:1平运动共振的摄动函数展开方式,对三维空间中的共轨运动进行考察,计算不同初始轨道根数情况下共轨轨道的共振中心、共振宽度,分析轨道类型与初始轨道根数的关系.并将分析方法所得结果与数值方法的结果相互比较验证,得到了广阔初始轨道根数空间内共轨运动的全局图景.     

一种适用于导航卫星自主运行的高精精度光压模型

针对导航卫星自主运行低功耗、高精度的需求,在综合考虑卫星本身物理性质和光压产生机理的基础上,提出一种适用于卫星自主运行时在轨计算的光压模型。利用精密星历反解太阳光压模型参数的方法,分析三种典型光压模型的参数特性及其精度。通过对轨道拟合和轨道预报的精度分析比较,在传统球模型的基础上,提出一种3参数的改进球模型。以GPS卫星为例的仿真结果表明,改进球模型以3个待估参数达到Bern模型(9参数)短期轨道预报精度的80%,其长期轨道预报精度也呈现出较好的特性,模型性能满足卫星自主运行的需求。     

非合作目标激光测距预报的实时修正方法研究

非合作目标的激光测距预报一般是基于双行根数(TLE)外推出来的,往往有较大偏差,对激光测距的成功率有较大影响。结合空间目标的轨道理论和实测的数据分析,预报的偏差主要是预测模型外推的空间目标在运行轨道上的平近点角与实际平近点角存在偏差。根据非合作目标在望远镜跟踪视场中的脱靶量,利用相关算法可以找到一个最佳的时间根数偏差量修正空间目标的平近点角。经过修正,空间目标的视位置偏差得到改善,距离偏差能够从几百米减小到几十米,提升了预期回波到达时刻的准确度,可以给单光子探测器提供更高精度的距离门控,提高测距成功率。     

太阳质量变化对小行星轨道根数的影响

利用变质量天体力学方法研究了太阳质量变化对小行星轨道根数的影响,质量变化包括因光子辐射和太阳造成的质量损失以及因太阳吸积周围星际物质造成的质量增加两个联合因素,利用Gylden-Meshcherskii(G-M)型变质量天体轨道根数变化方程的一阶和二阶解对7颗小行星轨根数的长期和周期性的影响作了数值计算,在一阶解中太阳质量流失对小行星轨道半长轴,轨道偏心率和近点辐角的变化率产生增大作用,而质量吸积起减小作用,在二阶解中两者起到增大作用,不过质量流失不大于质量吸积的作用,故总的趋势是使半长轴,偏心率和近点辐角的变化率增大。