基于地基测量数据的月球DRO轨道定轨精度分析

针对地月空间DRO探测,基于中国深空探测任务的现有测量条件,仿真分析月球DRO轨道探测器定轨预报精度。采用批处理定轨方法,选择以地球为中心天体进行轨道积分,并增加了月球非球形引力摄动。计算分析表明,在目前的测量条件下,2天短弧测距单独定轨精度为km量级,速度精度优于3cm/s,预报7天三维位置最大差异为数10km量级,速度差异小于6 cm/s;测距联合VLBI定轨精度为百米量级,速度精度优于0.4 cm/s,预报7天三维位置最大差异为千米量级,速度差异小于2cm/s,VLBI数据的加入能显著提高DRO短弧定轨预报精度。5天长弧测距单独定轨精度优于1km,速度精度优于1cm/s,预报7天三维位置最大差异小于2km,三维速度最大差异小于1cm/s,增加定轨弧长对测距数据单独定轨预报精度有显著提高。

多线并行轨道电路电容耦合干扰机理研究

高速铁路车站并行股道多,应用场景复杂,在三线并行情况下,中间股道易受两旁线路的电磁干扰影响。当2条线路均与中间股道同向时,中间股道所受电容耦合干扰为2条线路干扰之和,且邻线耦合电容越大,干扰亦越强。为减少多线并行邻线间的电容耦合干扰,可采取改变线路相对布局、采用屏蔽等设计措施,确保高速铁路车站轨道电路工作的稳定性和可靠性。

近地小行星天地基协同监测和轨道确定试验

基于中国科学院国家天文台空间碎片试验望远镜,联合“仰望一号”“吉林一号”卫星,设计并开展了近地小行星天地基协同监测试验,利用图像处理和定轨方法,实现了天地基观测图像的目标检测和天文定位,完成了近地小行星轨道的精确确定。经分析,基于现有的天地基设备可实现对近地小行星的协同监测和轨道编目,为研判近地小行星撞击风险提供轨道数据支持。

天问二号星载光学观测小行星(469219)Kamo`oalewa轨道精度仿真分析

中国小行星探测任务—天问二号将于2025年发射升空,其探访的第一个目标,小行星(469219)Kamo`oalewa(又称2016 HO3),是一颗与地球共轨的近地小天体,有着极高的运动演化研究价值.目前小行星(469219)Kamo`oalewa只有有限的地基观测资料,限制了其轨道精度.搭载光学载荷的天问二号在抵近Kamo`oalewa的过程中,预计将获得大量的星载光学观测数据.这将大大改善小行星(469219)Kamo`oalewa只有地基光学观测数据,无2021年后的公开观测资料的状况.通过仿真带有一定轨道误差的天问二号的光学观测数据,完成对小行星(469219)Kamo`oalewa定轨预报精度的任务前评估.精度评估使用协方差分析法和数值比较法,在考虑的可能观测精度范围内,预估天问二号光学观测数据能使小行星(469219)Kamo`oalewa定轨精度整体提升至15 km以内,并且分析了两种精度评估方法结果的差异与特性.

HY2D星载北斗数据质量评估及事后精密定轨精度分析

基于海洋二号D卫星(HY2D)2021年7月7-16日(年积日Day Of Year(DOY)188-197)的星载北斗观测数据,从测量数据有效性、可见卫星数量、位置精度因子及伪距多路径效应等角度分析了数据质量,并利用其进行事后精密定轨,从相位残差、重叠弧段、轨道互比和激光检核4种手段评估了定轨结果精度.结论如下:(1)HY2D卫星接收北斗三号卫星数在4颗及以上占比约为86.66%;B1C频点多路径误差RMS(Root mean square)约为0.37 m,B2a频点约为0.18 m.(2)载波相位拟合残差RMS在6-8 mm之间;相邻轨道重叠4 h的位置差异小于2 cm,与法国CNES(Centre National d‘Etudes Spatiales)DORIS(Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite)轨道比较径向RMS优于1.9 cm.(3)用激光测距数据检核轨道精度,其星距残差的RMS约为3.24 cm.结果表明,国产星载双频北斗接收机可以完成海洋测高卫星的精密定轨指标.

SpaceX星链卫星发布星历的研究

面对星链卫星(Starlink)严重干扰正常航天活动的现状,美国太空探索(SpaceX)公司发布的星链星历给星链卫星的相关研究带来契机,但缺乏明确说明也给进一步使用带来困难.分析星历文件后发现该星历基本是未来3d的预报轨道,平根数研究表明星历文件的前部分是至少考虑20阶非球形引力摄动的外推轨道,后部分是考虑J2项摄动的设计轨道,星历包含协方差信息,分析发现停泊和工作轨道卫星的星历在前1 d的精度优于2km,抬升阶段卫星星历的精度在半天不到的时间内迅速增长至数公里,通过发布星历的设计轨道可以更加精确地分析星链星座构型,尤其是各卫星的设计定点位置,有助于星链卫星的识别和跟踪.研究为星链星历的广泛应用提供有益参考,为星链卫星的机动检测和碰撞预警提供依据.

近地小行星轨道误差的统计分析

精确确定近地小行星轨道是近地天体监测预警工作的重要部分之一,然而由于观测弧长、观测精度以及力模型的制约,不同目标存在不同的轨道误差,基于JPL(Jet Propulsion Laboratory)小天体数据库中3万多颗近地小行星的轨道数据,对其轨道根数误差开展了统计分析研究。发现近地小行星轨道半长径误差存在双峰分布现象,且产生的原因与观测弧段的分布有关。研究了半长径误差与观测弧长的关系,得到了拟合优度达0.90的回归方程,进一步将绝对星等参数考虑在内,采用BP(Back Propagation)神经网络训练方法对观测始末时间跨度、轨道周期、绝对星等。半长径误差搭建了参数训练网络,该方法使得拟合优度进一步提升至0.96,能够快速合理地对近地小行星半长径误差进行评估。此外,对比了观测弧长对半长径误差、偏心率误差、倾角误差的影响,发现3者随观测弧长增加的改进程度存在差异,最后,还对比分析了半长径与轨道倾角误差分布随轨道倾角的变化,发现倾角误差分布特征与观测精度的选择效应有关。这些统计分析工作有助于增加对近地小行星轨道误差分布规律的认识,为进一步改进近地小行星轨道精度提供参考。

基于Molchan图表法的流体监测井水位地震预测效能检验

为了探究水位异常和地震之间潜在的对应关系以及监测井水位的地震预测效能,通过差分法和水位固体潮加卸载比法对德阳井、剑川井、佐署井和门源井水位数据进行处理,并采用Molchan图表法对4口监测井水位的不同预测期和不同块体发生的地震进行预测效能检验。结果表明:两种方法处理后的Molchan图表法检测效能结果相似;4口监测井水位在180 d内均有较好的预测效能,均对不同范围中强地震有一定预测效能,并且预测效能受板块内构造分布情况影响,对构造发育的区域预测效能更好。

类星链卫星星座轨道的分析及设计

卫星星座对于通信、导航、对地观测等卫星系统中有比较广泛的应用,可以提供较好的地面覆盖,更好地满足系统的需求.在各类卫星星座中, Walker星座的应用比较广泛.这类星座设计相对简单,地面平均覆盖性能较好,可用于导航卫星、低轨通信卫星的星座设计.虽然Walker星座的地面平均覆盖性能较好,但卫星的星下点轨迹一般并不重合.更重要的是,当多个Walker星座协同工作时,如果要保证星座间整体同步且轨道平面具有相同的进动速率Ω_(1),那么即使稍稍改变其他星座的轨道倾角,轨道半长径α也会出现相当大的变化.据此,美国太空探索(SpaceX)公司在其星链(Starlink)卫星星座中调整了设计思路,以不同星座间具有相同的回归周期(N_(day)天内完成N_(orb)个轨道周期)为依据,实现了多层(shell)运动同步的星座设计,并且在同层星座内所有卫星具有相同的星下点轨迹.根据SpaceX公司公布的专利, Starlink星座第2期3层轨道的星座即采用这种设计方案.SpaceX在其专利文档中公布并主张了上述理念和特性,但没有提供设计思路和技术细节.以此为基础,探讨可能的“类星链”星座设计思路,并在此基础上分析这类星座中星间链路的选择策略及特性.

基于角度转化的空间碎片测角数据精密定轨方法

空间碎片对在轨卫星的影响日益增大,持续确定和更新空间碎片轨道日益受到重视。基于角度转化思想,提出了一种空间碎片测角数据精密定轨方法。基于常用的两行根数(TLE)数据应用需求,根据差分思想建立基于SGP4/SDP4预报模型的TLE精密定轨方法;以赤经-赤纬数据为典型场景,分析原始定义法、赤经投影法的优缺点;提出将常规双元素角度资料转化为三元素角度资料的角度转化法。仿真结果表明:当观测数据较多集中于测站天顶方向时,角度转化法能够将精密定轨收敛速度提高25%,轨道精度提高2~10倍。

空间碎片多源数据融合定轨软件SPODFMD简介

空间碎片多源数据融合定轨软件SPODFMD(Spacedebris Precise Orbit Determination Fusing Multi-source Data)是由紫金山天文台卫星精密定轨团组自主研发的一款数值法编目定轨软件,目的是解决国内空间碎片监测网获取的多源数据融合问题.软件设计初期,充分调研了国内主流空间碎片监测设备。考虑到空间碎片轨道和物理特征的复杂性、大量碎片轨道更新对计算效率的要求以及工程应用对稳健性的要求等现实因素,在定轨算法中集成了具有自主知识产权的地球重力势及其偏导数无奇点快速算法、无奇点DTM94(Drag Temperature Model)大气密度模型及其偏导数的解析表达方法、大偏心率轨道密集星历精密快速计算算法以及稳健的自适应加权方法等结合软件工程设计理论,目前已实现了14种主流设备获取数据的任意融合,并取得了典型场景下的秒级定轨速度,适用于高、中、低轨和各种偏心率特点的全轨道碎片,且不存在计算奇点和极性奇点,经初步测试证实了SPODFMD软件的多源性、高效率、通用性和稳健性效果.

地月DRO星载光学测量近地小行星轨道确定

针对地基光学监测系统对近地小行星在近太阳方向的监测存在盲区的问题,提出了远距离逆行轨道(Distant Retrograde Orbit,DRO)天基光学平台对近地小行星进行跟踪定轨的方法.通过可视性分析,筛选仿真观测数据,利用美国宇航局喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)公布的小行星初始轨道信息对不同轨道类型的目标天体进行轨道确定,将计算结果与参考轨道对比分析.仿真结果表明:在测量精度2角秒,定轨弧长3年的情况下,DRO平台对仿真算例中所选择的近地小行星的定轨精度可以达到几十公里量级,其中Atira型轨道精度可达10公里以内.由此可见,DRO天基平台对近地小行星具有较好的监测能力,定轨精度能实现对目标小行星的精确跟踪,并对其进行轨道预报.

基于智能优化算法的小天体初轨确定

经典的初轨确定方法包括Laplace方法和Gauss方法以及它们的各种变化形式.除这些经典方法之外,基于当今光学观测数据的特点,学者们也陆续提出了一些其他的初轨确定方法,包括双r(目标距离观测者的距离)方法和可行域方法.双r方法的一种实现方式是通过猜测某两个时刻(通常是定轨弧段的首、末时刻)目标离观测者的距离,结合观测者在空间中的位置矢量,即可求解相应的Lambert弧段作为目标轨道的初始猜测.进一步,以其他观测时刻的RMS(Root Mean Square)为优化变量可以改进初始猜测从而确定初轨.可行域方法则是针对一组初始观测参数(包括赤经、赤纬及其变率),根据一些初始假设将目标(离观测者的)距离及其变率约束在可行域内,并通过三角划分逐步逼近的方式寻找到使观测RMS最小的猜测解.针对一系列模拟观测数据以及实测数据,将智能优化算法(粒子群算法)应用于这两种初轨方法,并将结果与改进的Laplace算法的结果进行比较.由于双r方法不仅可以用于短弧定轨还可用于长弧关联,所以进一步给出了针对长弧段数据的关联结果.

青藏高原东北缘地震动衰减模型及其在地震影响场评估中的应用

青藏高原东北缘活动断裂分布密集、构造变形活动强烈、地震频发.建立更符合该地区地震动特征的地震动衰减模型,能够在本地区震害防治和震后应急救援等方面发挥重要作用.首先,基于青藏高原东北缘地震构造特征,有针对性地选择强震数据库,构建考虑断层类型、近断层效应及场地条件等因素的区域性地震动衰减模型,运用随机效应回归法计算出模型系数;结合国内强震动记录通过残差分析对模型预测结果进行检验,并比较与NGA模型的差异;最后,运用震动图快速生成系统产出2022年门源Mw6.6地震理论烈度图并与现场调查烈度进行对比.结果表明:本文模型与NGA模型的预测偏差与场地条件和距离关系不大,而主要与震级相关,预测偏差随震级增大而明显增大;残差分析显示本文模型与青藏高原东北缘地区地震记录更接近;基于震动图快速生成系统产出的理论烈度图与现场调查结果比较接近,运用地震动衰减模型可有效提高台网稀疏地区强震Shakemap和地震影响场的预测精度和效率.

有高程数据库支持的弹道预警信息生成方法

在基于目标轨道运动特征的预警信息推算中,引入高程信息库的支持,使对地球的假设从参考椭球体变为更真实的形态,并探讨在此情况下提高发、落点位置和时刻的预报精度的方法.采用数字高程模型进行的数值实验结果表明,在原方法的基础上增加少量高程迭代计算的情况下即可提高预报精度,发、落点位置高程越高的地区精度提高越明显.

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500km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(RootMeanSquare)低于1mm,且随着轨道高度的增加,预报星历偏差RMS逐渐减小.

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.

Horndeski引力时空中的准开普勒运动

Horndeski引力理论是标量张量修改引力理论中的集大成者。本文基于Horndeski引力度规张量,推导试验粒子在准开普勒运动中的二阶后牛顿解,以研究Horndeski引力中标量场对试验粒子准开普勒运动产生的效应。对Horndeski引力度规张量做二阶后牛顿近似展开,计算试验粒子的拉格朗日量、轨道能量以及角动量,由此表示的准开普勒运动的半长轴和偏心率。利用偏近点角和真近点角之间的关系,推导了准开普勒运动的运动方程和周期。

近地表速度结构对场地强地震动特征的影响

近地表松散沉积层对地震波具有强烈的改造作用。为了揭示近地表速度结构对场地强地震动特征的影响机理,采用横波勘探和地脉动测试方法研究两个地震台站的场地条件,并对比分析场地测试结果与汶川地震记录的频谱特征。正如浅层地震勘探和地脉动数据所揭示的那样,MXT地震台的强震记录中,对应横波图像0.10s处强反射波的地震动分量（频率5 Hz左右）在该场地占明显优势,而对0.22s的弱反射界面（对应的基频为2.3Hz）的反映并不明显,分析认为这一现象归因于地下10-11m处粉土与卵石层间具有较大的波阻抗差异,因而造成地震反射图像上0.10s附近的强振幅掩盖了0.22s的反射波组,岷县强震记录频谱也显示为单峰值形态。横波勘探在WUD台获得的地震图像显示分别在0.22s和0.50s处有两组比较明显的反射波,其所对应的场地潜在响应频率分别为2.3Hz和1.0Hz,WUD台的强震记录频谱的形态也明显受这两个波阻抗界面的影响;通过对比地脉动与地震记录的频谱图,认为场地结构对地震信号与一般地脉动信号的影响是有差别的。研究表明：（1）剪切波的强阻抗界面深度及其平均波速是控制场地频谱主频的主要因素,近地表地层中阻抗强的界面对地震波的改造作用占主导地位;（2）近地表松散覆盖层的波速结构影响着场地地脉动频谱与地震动频谱的谱形变化;（3）一般情况下,浅部强波阻抗界面对地脉动频谱特征的影响可能大于深部（百米以内）,强震作用下深部波阻抗界面会使场地的响应主频向比其脉动基频更低的频段发展。

利用SLR与伪距资料综合定轨

以GPS伪距为观测量对GPS35卫星进行定轨 ,然后将SLR与GPS伪距资料综合起来进行定轨 。