关于北斗G2卫星的溯往追终

2022年1月,失效的北斗G2卫星被实践21号卫星从地球静止轨道拖入了坟墓轨道.为了这项捕获任务的安全实施,需要预先确定北斗G2的旋转状态.基于过去10 yr的测光观测数据展示了北斗G2卫星自转的演化过程.根据北斗G2的自转速度和轨道的演化,确认了在过去的10 yr里发生的6次异常事件.据推测, 2012年的小碎片碰撞事件,是随后几年燃油泄漏的导火索. 2017年之后剩余燃油完全释放,再也没有出现转速异常.将2014年太阳能帆板损坏和2016年的解体事件后建立的旋转动力学模型外推1 yr,转轴的标准偏差小于3°,转速标准偏差为0.11°·s^(-1),能够有效地满足捕获任务时刻旋转状态的精度要求.

基于像差影响的星间角距修正方法

为了有效地提高星模拟器的精度,针对经典星间角距数学公式没有考虑光学系统像差影响的问题,提出了一种基于像差影响的星间角距修正方法,建立了相关的数学模型并推导了相应的数学公式。并以球幕投影的星模拟器平台为例进行分析和实验测试,结合所建立的星间角距数学模型,对各星点的方位角和俯仰角进行曲线拟合,得到像差影响的星点位置误差拟合曲线,从而完成星间角距修正。实验结果表明,修正前星间角距误差为27.56″,修正后星间角距误差为16.96″,相对于修正前减小了10.60″。本文方法为有效提高星模拟器的仿真精度提供了理论基础。

利用VLBI数据确定“探测一号”卫星的轨道

双星计划的“探测一号”是中国首颗真正严格意义上的科学实验卫星,其运行轨道为中国迄今所发射的卫星中距地球最远,远地点地心距达7．8万公里．采用射电天文的VLBI技术可以对“探测一号”以及更远的深空目标,如探月飞行器实现跟踪．为了验证VLBI技术在我国探月计划中的作用,上海天文台组织了国内目前仅有的上海、乌鲁木齐和昆明3个台站对“探测一号”进行试跟踪,利用对“探测一号”约两天的VLBI观测数据,确定“探测一号”卫星的轨道,对VLBI的定轨能力做初步的探讨．按照测控部门提供的初轨 (其精度仅保证跟踪)推算的轨道与VLBI时延的拟合误差平均约2 km,时延率的拟合误差平均约15 cm／s．而利用VLBI数据定轨后的拟合程度相对于初轨有了很大的改善,结果表明,单独利用VLBI时延定轨,时延的拟合精度约5．5 m,作为外部检核的VLBI时延率的拟合精度在2 cm／s左右．单独利用VLBI时延率定轨,时延率的拟合精度约为1．3 cm／s,作为外部检核的VLBI时延的拟合精度约为29 m．而若将时延和时延率数据联合定轨,采用其内符精度加权,VLBI时延和时延率的残差分别为5．5 m和 2 cm／s．为了合理地评估VLBI定轨的真实精度,利用模拟数据进行误差协方差分析,结果表明VLBI定轨精度受动力学模型误差的影响较大,由于"探测一号”卫星的动力学模型难以精确确定,所以利用两天弧段的VLBI数据确定“探测一号”卫星轨道的位置误差为km量级,而速度误差可达cm／s量级．模拟计算还表明, VLBI和USB数据联合定轨可以大大提高定轨精度．

火星探测器动力学模型优化及“天问一号”探测器定轨研究

对上海天文台火星探测器定轨软件的动力学模型进行优化和升级,开发形成了MarsODP V2.0,该软件可以处理多种类型测量数据。对火星进行高精度动力学建模,考虑火星本身特性,增加了火卫一和火卫二的三体摄动、火星大气阻力摄动以及多种火星定向模型优化等。利用MEX实测数据比较了优化前后的火星定轨软件的定轨精度,计算结果表明,动力学模型优化后,定轨精度明显提升,与参考轨道的位置差异和速度差异减小;利用实测数据对美国MRO探测器进行精密定轨并验证软件优化后定轨精度。对“天问一号”探测器环火轨道进行定轨计算分析。

基于星间链路的BDS导航系统实时星历和钟差分离修正

BDS导航系统授权服务通过提供实时广域差分改正,满足高精度导航用户的导航需求。研究独立时间同步支持下的BDS卫星导航系统的广域差分修正模型与方法,比较了星历和星钟误差的一维(即ICD文件中的等效钟差)和四维差分等两种模式的修正性能,利用DOP值分析了星历改正的误差传播规律。分析表明,一维差分模式的修正精度随轨道误差增加而降低,不适用于在轨卫星故障及GEO卫星轨道机动后轨道快速恢复等情况,并且会降低广域差分系统的可用性;而仅在星地观测条件下,广域差分的三维星历和钟差分离的四维差分模式稳定性较差,区域监测网分布严重限制了星历和钟差误差的分离精度。随着BDS全球系统发展,为满足星座自主导航的需求,系统将提供星间链路观测。通过建立仿真平台,对星间链路支持下的星历和星钟误差分离方法进行研究与分析,结果得出,增加星间链路观测,可以有效地分离星历和星钟误差,将星历误差传播放大因子降低约50%;与一维差分模型相比,将监测站布站稀疏区域内的用户差分改正精度提高约60%。

GEO空间碎片的光学观测与精密定位

GEO轨道由于其特殊的动力学特性,有着巨大的应用价值;然而,GEO区域没有类似大气阻尼的碎片清除机制,导致空间碎片的威胁与日俱增。由于地基雷达探测距离的限制,地基光学观测是GEO空间碎片探测的主要手段。介绍了空间碎片光学观测中设备的选取,观测方案的制定,以及相关的图像处理算法;分析了空间碎片精密定位的技术与方法,并对今后的发展进行了展望。为了更好地了解GEO空间碎片的态势,保障在轨运行航天器的安全,GEO空间碎片光学观测方法的研究是一个需要长期深入的课题。

月球探测中的无动力返回轨道

首先在平面圆型限制性三体问题模型下给出了白道面内4种类型的对称无动力返回轨道,之后针对其中较实用的一种,考虑了其在白道面内的非对称情形,并探讨了其三维情形及近月、近地的轨道倾角限制.最后给出了地-月系真实引力模型下无动力返回轨道的设计方法和相应算例.

空间目标的圆轨道跟踪法

给出一种空间目标自动跟踪方法:圆轨道跟踪法.该方法在假设目标轨道为圆轨道的前提下计算目标轨道,而后在轨道平面中外推.和位置跟踪法比较表明:该方法不受空间目标视运动不均匀性的影响,有非常高的跟踪精度.即使采用低帧频CCD(1—2 HZ),使用本方法,也能实现对空间目标的高精度跟踪;并能给出目标的多点CCD坐标,实现对空间目标的多点分区采样,提高空间目标的定位精度.

单测试质量无拖曳卫星无拖曳及姿态系统仿真及其控制研究

以ASTRODI(Astrodynamical Space Test of Relativity using Optical DevicesI,单航天器天文激光动力学)为例介绍无拖曳卫星的结构及其工作原理.推导了其动力学方程,并在此基础上建立了卫星的动力学数值仿真器.将H_2最优控制理论运用于以噪声压制为主要目的的无拖曳卫星控制系统的设计,通过传递函数法及数值法双重分析表明所设计的控制器能符合卫星的控制要求,同时表明在控制器没计过程中采用的线性化假设是适当的.

ASTROD-GW轨道设计

激光天文动力学引力波探测任务ASTROD-GW(ASTROD[AstrodynamicalSpace Test of Relativity Using Optical Devices Optimized for Gravitation WaveDetection)是ASTROD专注于探测引力波的优化方案,其航天器轨道在日地拉格朗日点L_3、L_4、L_5附近,构成一个接近等边的三角形阵列,干涉臂长约为2.6×10~8 km,其可探测的引力波波长可达LISA(Laser Interferometer Space Antenna)的52倍.文中综述ASTROD-GW轨道的设计和优化方法.轨道经优化后,其臂长差(在激光干涉测量中可称为干涉差)10 yr内的变化为10^(-4) AU量级、3个臂长方向的多普勒速度小于4 m/s,均小于LISA的要求,因此LISA发展的激光测距技术可用于ASTROD-GW.

空间信号精度的算法设计与实验分析

导航系统的完好性关系到用户的安全问题,空间信号精度(SISA)是反映卫星导航系统完好性的重要指标之一。针对导航电文中的广播星历和钟差参数信息处理问题,设计了SISA参数计算方法;利用GPS和BDS系统中的实际数据,分析了不同轨道类型卫星SISA参数对空间信号误差的包络特性,并将导航电文中URA参数与SISA参数进行比较,验证了SISA参数计算方法。实验结果表明,SISA能够准确反映广播星历的空间信号精度,并能够对空间信号误差基本实现平均98%的包络能力;目前北斗广播星历中的URA参数不能够精确反映空间信号的精度,不同卫星的空间信号精度相差较大,SISA能够准确反映和包络北斗空间信号误差。

制约卫星轨道寿命的另一种机制

近点共振会导致太阳系小天体(小行星,自然卫星以及大行星和月球的人造卫星)的轨道偏心率出现变幅较大的长周期变化,特别是以月球和大行星为中心天体的大倾角轨道(确切地说是倾角接近90°的极轨道)卫星,由于类似的原因,偏心率的增大而导致近星距rp=a(1-e)≤ae(ae是中心天体的赤道半径),使其落到中心天体上,结束轨道寿命,这与耗散机制大不相同,因此将对其作理论分析,并以计算实例加以证实.

一种载人小行星探测轨道优化设计方法

给出了一种基于变比冲核电推进载人飞船探测小行星的轨道优化设计方法.首先基于双脉冲单圈Lambert轨道转移,对地球出发段和返回段进行搜索剪枝,再从两个可行区域中优选最佳飞行路径.设定"推进-滑行-推进"的分段飞行策略,以工质消耗最少为指标,利用混合法优化核电推进飞行轨迹,最后以分段优化参数为初值,基于整体任务约束将全飞行过程转化为非线性优化问题,将各飞行段进行拼接,获得整体参数优化解,并给出了数值和图形结果.

在不均匀旋转大气中瞬时圆形轨道的人造卫星的寿命

本文用能量观点研究了人造卫星在不均匀旋转大气的阻力作用下的寿命.根据流体动力学,大气旋转角速度随高度而减小.大气密度按指数形式而减少.文中推出了卫星在上述旋转大气模型中瞬时圆形轨道上的寿命表达式,并对具体卫星的寿命做了数值估计.结果表明:在本文中所计算出的卫星寿命比前人将大气旋转同地球自转角速度一样的模型所算出的寿命要短些.

空间非合作目标消旋技术研究现状总结与展望

针对空间非合作目标开展在轨服务、轨道清除等需要在轨捕获任务的顺利实施,在捕获前一般需要对非合作目标进行消旋。系统调研了国内外针对空间非合作目标的消旋方案,并将其分为基于能量转移和基于能量损耗的两种方案。在对两类方案的具体原理及操作过程与关键技术进行总结的基础上,概括了各方案的特性及其适用场景,分析了未来空间非合作目标消旋技术的发展方向。

磁层亚暴的磁重联-电流中断-电离层、磁层耦合全球模型

磁层亚暴是地球空间动力学的一个重要过程．本文对磁层亚暴进行了理论分析和观测比较研究．研究表明，减速地向流导致近磁尾处磁场位形绝对不稳定，并显著提高其增长率；中碰尾磁场重联、近磁尾电流中断以及电离层－磁层耦合可能协同作用，触发亚暴．该亚暴模型与许多观测现象相符．

三星时差定位卫星簇的分析与设计

依据三星时差定位精度分析的结论 ,提出了三星时差定位卫星簇的设计原则 ,分析了卫星簇几何形状的变化规律 ,讨论了全球定位卫星簇的设计 ,给出了一种快速简洁的设计方法。仿真分析表明 ,按照本文方法设计的卫星簇能够提供全球的高精度定位。

定常推力登月飞行器最优软着陆轨道研究

完成了推力幅值恒定的登月飞行器最优软着陆轨道的研究。建立了用于描述软着陆轨道任务的完整系统模型。通过将参数化方法和序列二次规划(SQP)方法应用于归一化处理后的模型,得到了飞行时间最优的轨道。

南大西洋地磁异常区的辐射环境与低轨卫星粒子辐射通量计算

利用国际地磁参考场模型ＩＧＲＦ９０，分析了南大西洋异常（ＳＡＡ）区磁场变化的特征，计算了低轨卫星轨道积分粒子辐射通量及其随年代的变化。结果表明，在ＳＡＡ上空，同一高度上的磁场随时间的推移而减弱，粒子辐射通量随时间的推移而增加．对不同高度的卫星，轨道积分粒子辐射通量随年代的变化相差很大，低轨（＜１０００ｋｍ）卫星的变化明显，而＞１０００ｋｍ时变化很小．粒子辐射通量随时间变化的主要原因是ＳＡＡ区的磁壳结构畸变和“移动”，因此，计算不同年代的轨道粒子辐射通量，应使用同年代的磁场模型。近期卫星测量结果表明，这一论断与观测相符。本文提供的计算轨道积分粒子通量方法，结果的可靠性较高，对卫星的合理设计，载人飞船的辐射防护以及卫星的正常运行都有重要参考价值。

基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨

为满足搭载单频GPS接收机低轨卫星的精密定轨需求以及深化单频定轨研究,文中解决了单频星载GPS数据的周跳探测问题,并利用"海洋二号"(HY-2A)卫星及"资源三号"(ZY-3)卫星的单频星载GPS实测数据采用两种方法确定了二者的简化动力学轨道,并通过观测值残差分析、与双频精密轨道比较、激光测卫数据检核等方法对所得轨道精度进行评定。结果表明,在不考虑电离层延迟影响的情况下,HY-2A卫星定轨精度为2～3dm,ZY-3卫星为1m左右;而采用半和改正组合消除电离层延迟一阶项影响后,二者定轨精度均显著提高,HY-2A卫星三维精度提高至1dm左右,ZY-3卫星提高至1～2dm。文章的研究成果表明,搭载单频GPS接收机的低轨卫星也可获得厘米级的定轨精度。