Secular Effect of Geomagnetic Field and Gravitational Waves on Earth’s Satellite Orbits

In this work we study the perturbation and the change in the orbital elements due to the earth’s magnetic field and the gravitational waves. The acceleration components are derived in the radial, transverse to it and normal to the orbital plane. The equation for the rates of variation of the elements is formed and solved to find the secular variation in the element for polar and equatorial satellites.

低轨星座构型保持研究现状与分析

稳定的构型是星座发挥其正常功能的基础。首先结合卫星在轨运行动力学环境,回顾了地球重力场模型、日月引力模型、大气模型与太阳光压模型的发展,在此基础上介绍了大气模型和太阳光压模型的在轨修正技术。其次,阐述了星座构型保持的必要性与可行性,总结归纳了摄动补偿法、预先设计法、全局优化法、阻力差分法与极限环保持法等构型保持方法,对比了绝对保持与相对保持的控制基准与方法特点。最后,展望了针对不同高度的低轨(low Earth orbit,LEO)星座构型保持,旨在为LEO星座的构型保持策略设计提供参考。

自转微椭、非均匀地球的潮汐变形

鉴于当前国际上关于自转微椭、非均匀地球（ＳＲＥＨＩ）的固体潮汐响应的结果之间存在明显分歧，特别是Ｌｏｖｅ数ｋ及重力潮汐因子δ对纬度的依赖情况截然不同，本文借助于摄动法与张量正则分量的广义球谐展开建立起来的侧向非均匀、自转微椭、粘弹地球的潮汐模拟理论，计算了ＳＲＥＨＩ地球的潮汐形变及相应的引力位变化．结果表明，描述径向位移的Ｌｏｖｅ数的纬度依赖部分系数ｈ＿＋与球对称部分ｈ＿０＋δｈ＿０之比不大于１．０‰；对Ｏ＿１波为０．２７‰；对Ｍ＿２波为０．１９‰；对Ｍ＿３波为０．４９‰；对Ｍ＿４波为０．８８‰．描述地球引力位变化的Ｌｏｖｅ数的纬度依赖部分系数ｋ＿＋与球对称部分ｋ＿０＋δｋ＿０之比小于３．０‰；对Ｏ＿１波为２．６７‰；对Ｍ＿２波为１．８９‰；对Ｍ＿３波为２．２４‰；对Ｍ＿４波为２．７０‰．

地球非球形引力位中田谐项摄动的有关问题

在人造卫星绕地球运动中 ,地球非球形引力摄动是最重要的 .讨论了容易被忽视的田谐项摄动 ,尽管它对低轨卫星的影响 ,只相当于J2 项的二阶量 ,又是短周期效应 ,但它却包含了大 1 0多倍的地球自转项 ,必须给以重视 .还导出包含全部阶次田谐项的摄动解 ,并分离出地球自转项 ,对轨道半长径a还增加了 (J2 ×Jlm)联合摄动的地球自转项 。

高阶次月球重力场模型截断下的低轨环月卫星轨道受摄分析

研究低轨月球卫星在月球非球形摄动和地球第三体引力摄动作用下轨道高度变化问题。首先依据Kaula准则比较分析目前国际上公认的最精确的两个重力场模型GLGM-2和LP165P,提出了在一定阶次截断重力场模型的问题,然后通过仿真不同阶次重力场模型作用下轨道高度为50km的圆形极轨道环月卫星轨道特征的变化,验证了50km以上高度卫星非球形摄动分析时可以将重力场模型截断至一定阶次的结论,并利用截断至70阶次的重力场模型仿真得到了50km和200km圆轨道卫星无控条件下正常运行的时间。最后在仿真地球引力对200km圆轨道卫星高度影响的基础上仿真其在月球非球形和地球引力摄动作用下轨道要素变化,对低轨环月卫星轨道保持控制提供依据。

GEO卫星广播星历的拟合参数设计

基于第一类无奇点要素的拟合参数和5°倾角旋转法,可以实现GEO发播电文与MEO和IGSO的电文一致性,但是没有完全避免数学奇异性。文章从无奇点要素的选取和主要摄动力的影响分析两方面出发,提出了一套16参数的GEO星历表示法。首先,利用同步要素描述卫星的星下点运动轨迹;其次,摄动参数中顾及了地球引力位田谐项引起的定点漂移。拟合试验表明,2h星历拟合的用户距离误差的均方根优于0.01m。

地球非球形对卫星轨道的长期影响及补偿研究

首先建立了地球非球形引力摄动模型,通过对地球非球形引力摄动对卫星轨道的长期影响分析发现,地球非球形引力摄动对卫星轨道升交点赤经和沿迹角的漂移量与时间成近似线性关系;然后推导了通过主动偏置半长轴和倾角的方法来补偿摄动长期影响的计算公式,设计了基于仿真的地球非球形引力摄动补偿方法;最后对G lobalStar星座卫星进行仿真与试验。结果表明,设计的补偿方法是可行的,摄动补偿后在地球非球形引力摄动作用下卫星轨道的长期稳定性得到了很好的保持。

地磁环境下结构变形引起的扰动磁场

基于磁弹性相互作用的线性化理论,针对地磁环境特点,忽略磁场对结构位移的影响而仅考虑位移对磁场的耦合作用,通过将位移梯度引入变形后界面外法线矢量方法,给出了变形引起的扰动磁场计算的定解场方程和界面衔接条件,并计算了符拉芒问题的变形扰动磁场．结果表明,变形扰动磁场完全取决于位移梯度在界面外法向上的投影；扰动场强与外力成正比；空气中扰动磁场的法向强度和切向强度分布特征明显不同。法向强度在力作用点对称分布,并且在力作用点处存在奇点；切向强度则呈反对称分布,在力作用点处发生突变．

基于卫星轨道扰动理论的重力反演算法

为了更充分利用低轨重力卫星的高精度观测数据,根据卫星轨道的扰动理论,导出了应用卫星轨道与星间距离观测值联合反演地球重力场模型的算法.该算法的实质是将牛顿运动方程在卫星轨道处进行展开,转化为第二类Volterra积分方程,并采用基于移动窗口的9次多项式内插公式进行数值求解.给出了该算法的观测方程,用QR分解法消去局部参数矩阵,最后采用预条件共轭梯度法求解法方程.利用GRACE卫星2008-01-01～2008-08-01时间段内的轨道及星间距离观测数据,解算了120阶次的地球重力场模型SWJTU-GRACE01S,该模型在120阶处的阶方差为1.58×10^(-8),大地水准面差距累计误差为22.29cm,与美国GPS水准网比较的标准差为0.793m,结果表明:SWJTU-GRACE01S模型精度介于EIGEN-GRACE01S与EIGEN-GRACE02S模型之间,从而验证了该算法的有效性.

地球横向不均匀结构对地表以及空间固定点同震重力变化的影响

本文提出一个新算法,用来高精度计算三维不均匀地球模型中地震位错引起的地表以及空间固定点同震重力变化.具体地说,我们首先把实际三维不均匀地球分解成球对称地球模型和对应的横向不均匀增量,分别进行计算,二者对应的计算结果分别称为球对称解和三维响应.由于球对称解可直接利用球对称地球模型位错理论计算得到,本文的目标是计算三维响应即地球的横向不均匀结构对同震重力变化的影响.然后,我们把三维响应再分为震源的响应和地球横向不均匀结构的响应,它们可分别借助对震源函数的扰动以及对平衡方程式的变分求解.本文推导出六个特殊点源位错引起的地表以及空间固定点同震重力变化计算公式(一个垂直走滑位错,两个相互垂直的倾滑位错,三个开裂位错),对这些公式进行适当组合就可以计算任意位置任意类型位错产生的同震重力变化,对应的计算公式同步给出.接着,依据36阶P波速度模型,我们利用岩石试验经验关系式推导出三维S波速度模型,密度模型,位场模型以及重力模型.最后,利用上述三维模型,本文计算出三种典型类型的点源位错产生的同震重力变化,结果显示三维响应与位错类型,震源深度都有关系,其最大响应占球对称解的0.5%左右,且在所有影响因素中S波速度模型影响最大.数值结果同时表明,三维响应中震源的响应与地球横向不均匀构造的响应处于同一量级.本文给出的地表和空间固定点同震重力变化计算公式可分别高精度解析地表重力和卫星重力观测数据(GRACE、GOCE等),提高大地测量数据理论解析水平.

Collocation-PECE算法在低轨卫星精密定轨中的应用

在精密轨道确定中,PECE算法已成为目前最通用的轨道积分算法。利用Collocation方法的外推公式和内插公式可构造一种新的PECE算法,新算法以两种方式进行二阶微分方程的求解:将二阶微分方程降为一阶微分方程然后积分以及直接积分二阶微分方程。分别采用这两种类型的算法求解二体问题和低轨卫星的受摄轨道,并将计算结果与Adams-PECE算法及一般的PECE算法的积分结果进行了比较分析。结果表明,这两种类型的Collo-cation-PECE算法在实际轨道积分中较其它几种算法更有效。

地球卫星运动中坐标系附加摄动与参考系选择问题

针对地球赤道面的摆动,曾提出过两种空间地心赤道坐标系,即历元地心平赤道坐标系和混合形式的轨道坐标系.在后一种坐标系中虽然可避免计算因地球引力位变化所引起的坐标系附加摄动的麻烦,但这又带来了两种坐标系之间的不统一和转换的麻烦.针对实际现状。直接在历元地心平赤道坐标系中给出相应的坐标系附加摄动解,所有与此有关的转换问题,均可在历元地心平赤道坐标系中进行,而无需为了避免坐标系附加摄动的计算去通过轨道坐标系来实现.从而建议,不必再引进轨道坐标系,在卫星定轨和预报中,所有的转换问题均可采用同一坐标系,即历元(目前是J2000.0)地心平赤道坐标系.

超低轨道卫星摄动特性分析及轨道维持方法

针对超低轨道卫星长时间在轨飞行的轨道维持问题,分析了超低轨道平均偏心率矢量变化特性,提出了一种超低轨道维持的控制方法。分析了J2、J3摄动以及大气阻力摄动作用下超低轨道卫星偏心率矢量的变化特性;基于能量守恒原理设计了超低轨道高度维持的控制策略;通过仿真算例验证了控制策略的有效性。结果表明:在地球非球形引力摄动、大气阻力摄动和速度脉冲作用下超低轨道平均偏心率的变化是稳定的,所设计的轨道维持方法不仅能够实现超低轨道高度维持,确保平均偏心率矢量收敛至平衡位置,且用于轨道维持的燃料消耗合理,能够满足长时间的超低轨道飞行要求。

载人航天器与空间站共轨飞行轨道维持策略

针对载人航天任务中面临的与空间站保持长期共轨飞行的轨道问题,分析了航天器在地球扁率J_2项摄动以及大气阻力摄动作用下,长期共轨飞行航天器半长轴、相位和升交点赤经的变化特性,并设计了仅通过面内调整同时实现面内和面外调整的共轨维持的控制策略。通过仿真算例验证了控制策略的有效性,轨道维持的燃料消耗合理。可为我国载人航天器与空间站共轨方案设计提供参考。

J_2摄动作用下近地轨道卫星编队构形长期演化机理分析

研究近地轨道卫星编队构形在引力摄动作用下的长期演化机理。把用转移矩阵法得出的相对运动分析解表达成一般轨道根数形式,为研究摄动影响而进一步表达成无奇点轨道根数形式;根据各轨道根数的J2摄动解分别研究编队构形在轨道坐标系三个方向上的振幅与相位的长期变化情况,揭示了构形引力摄动的长期演化机理;给出编队构形的摄动表达式,并以仿真实例验证其可信性;最后给出构形长期引力摄动的相关结论,并对编队构形设计提出建议,这将为研究编队构形的规划技术带来方便。

上埋式涵洞顶部垂直土压力计算方法探讨

根据上埋式涵洞顶部垂直土压力的受力特点,涵洞上覆土体采用完全损伤土的应力应变关系——结构性粘土的弹塑性损伤模型,地基采用线弹性模型,利用力的变形协调条件和力的平衡条件对上埋式涵洞顶部土压力的计算方法进行探讨,提出了考虑土的应力损伤和扰动损伤的垂直土压力计算公式。结果可用于指导工程实践。

冻结轨道及其应用

近来在对地观测卫星系统的设计中越来越多地采用冻结轨道,因为它能使卫星(作为一个质点)在不同时刻通过同一纬度时具有相同的运动特性,这就使得卫星在不同时刻经过同一地区所得到的遥感图片具有相同的几何特性。本文详细地讨论了冻结轨道条件。

晶体中稀土离子4f^N组态内光子跃迁强度的计算

在介绍晶体场导致稀土离子“能级分裂”和4fN组态内单光子跃迁的宇称禁戒的“部分解除”的基础上,讨论了该组态内单光子、双光子跃迁及电子拉曼散射几率计算的国际动态,总结了我们在此领域的工作并提出了进一步工作设想。

基于滤波算法的拟平均轨道根数自主实时确定方法

针对卫星长期自主运行的发展要求,首次提出了基于滤波算法的卫星自主计算拟平均轨道根数的在轨实时方法。首先以受地球非球形摄动影响的低轨卫星为研究对象,推导了拟平均轨道根数的变化率并考虑了J2平方项补偿;以拟平均轨道根数为状态变量并以卫星瞬时速度和位置作为观测量建立了滤波方程,然后分别应用平方根无迹卡尔曼滤波(SR-UKF)和扩展卡尔曼滤波(EKF)对拟平均轨道根数进行估计。仿真结果表明,两种滤波方法均能有效地计算拟平均轨道根数,其中平方根UKF滤波具有更高的精度和稳定度,且都可以满足卫星在轨自主实时计算拟平均轨道根数的需求。

基于PREM的地球引力势二阶系数的潮汐摄动

地球引力势系数变化的研究涉及到人造卫星运动跟踪精度的提高和动力学模型的改进．本文利用目前较完善的地球模型ＰＲＥＭ所给出的流变学参数，通过求解弹性地幔运动方程，得到在日月引潮力作用下的形变位移矢量，进而计算了地球引力势二阶系数的潮汐周期摄动．指出在高精度的人造卫星跟踪数据的分析研究中，不能忽略因潮汐形变引起的δＪ２和δＪ２２的影响．