基于TLE双行根数的航天器机动检测方法

由于不同功能的航天器承担的任务不尽相同、轨道亦不相同等原因,航天器不时需要变轨机动以确保完成任务.对于非合作航天器,其可能的变轨信息预先未知且难以预测,故需要准确快速判断航天器的变轨事件,以及时调整轨道探测策略.由于美国公布的双行根数具有来源稳定、更新频率快和容易获取等特点,本文结合航天器轨道动力学及变轨控制的特点,提出了基于TLE双行根数的航天器变轨机动检测方法,通过检测半长轴的变化量和相对距离最小值实现了在轨航天器轨道面内机动的检测.以METOP-A1和IRNSS 1G两个航天器在2019年6-9月的TLE根数为例,说明使用该方法开展机动检测的操作流程和步骤.同时大量仿真计算结果表明,该方法能够有效解决航天器在轨运行过程中面内机动时间和半长轴改变量的检测以及多次变轨识别的问题,检测精度与TLE根数自身精度及机动量大小相关.

瞬时根数到两行根数的转换方法研究

两行根数是北美防空司令部基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器位置和速度的一组轨道根数,其对应模型为考虑了简化的常规、深空扰动的SGP4/SDP4模型。瞬时轨道根数和两行根数常用来描述航天器的运行情况,但瞬时轨道根数到两行根数的转换方法鲜有介绍。文中描述了基于SGP4、SDP4模型,利用数值迭代法从瞬时轨道根数得到两行根数的方法,经过测试验证和实际使用,该方法推导出的两行根数精度满足轨道预报的需要。

基于TLE数据的大气密度反演与校正

用于航天器轨道预报的热层密度模型普遍存在30%左右的误差,影响LEO卫星的精密轨道确定和载荷控制。基于低轨航天器平运动变化与大气密度的关系,使用GRACE(gravity recovery and climate experiment)卫星TLE数据反演2003、2007年沿轨大气密度,通过比较反演值、模型值和实测值的关系分析误差产生原因,使用对数正态分布拟合密度比值。通过分析太阳辐射、地磁指数对大气密度变化的影响,提出一种基于空间环境指数的热层大气密度模型校正与预报方式。使用该方法对2003、2004、2007、2008年的MSIS86模型计算密度进行修正,将模型平均相对误差从33.33%~59.62%降低到11.55%~15.13%,太阳活动低年改进量是高年的1.5~2倍。对2009年经验模型结果进行预报校正,将预报误差降低36.49%,提高了模型精度。

利用卫星两行轨道根数反演热层密度

两行轨道根数(TLEs)是基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器位置和速度的一组轨道参数,通过求解大气阻力微分方程,可反演出热层大气密度.本文选取近圆轨道CHAMP卫星和椭圆轨道Explorer 8卫星,以两行轨道根数数据为基础,计算反弹道系数,并根据不同轨道特征采用两种不同反演方法对热层大气密度进行研究.结果表明,这两种方法反演得到的大气密度与实测值均符合较好,其中CHAMP卫星的反演结果和经验模式值相对于实测值的误差分别为7.94%和13.94%,Explorer 8卫星的误差分别为9.04%和14.32%.相比模式值,利用两行轨道根数数据反演的热层大气密度更接近于实测值,说明该方法可以作为获取大量可靠大气密度数据的一种有效途径.

基于CUDA异构并行加速的两行根数算法的研究

随着航天技术的迅速发展,宇宙中航天器越来越多,利用两行根数(TLE)的数据对航天器的位置、运行状态、运行轨道监控分析判断,防止航天器相互碰撞,显得尤为重要。如果能减少两行根数的计算时间,无疑会让监控更加实时,地面控制中心快速做出相应操作。NVIDIA的CUDA并行计算编程架构结合高性能计算显卡(GPU)正是为了解决高性能计算问题而推出的,可以大幅缩短复杂计算的时间。文章研究了两行根数算法的并行改造,利用CUDA并行架构和GPU硬件作为CPU的协处理器,将两行根数算法的计算时间大幅缩小,解决了两行根数的计算时间问题。实验结果证明利用CUDA并行加速的两行根数算法计算时间大幅减少,提高了计算效率。

基于TLE和YUMA历书的北斗卫星轨道预报精度对比分析

卫星轨道预报是实现地面站对北斗卫星导航系统(BDS)卫星进行有效监测与跟踪的必要条件。为确定两行轨道根数(TLE)和YUMA历书在不同情境下对于BDS卫星轨道预报的适用情况及其优劣性,分别利用TLE和YUMA历书对BDS卫星轨道进行预报,并采用武汉大学IGS数据中心(WHU)发布的BDS精密星历作为参考基准,对比分析了两种预报方法实现的BDS地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和中圆地球轨道(MEO)三类卫星的位置预报精度。结果表明,在24 h短期预报中,两种方法均可维持较高的预报精度,TLE的短期预报精度优于2.0 km,YUMA历书的短期预报精度优于9.0 km;在长期预报中,TLE可以维持较为稳定的轨道预报精度,YUMA历书随着时间的增加,其轨道误差会迅速增大;两种方法对于GEO卫星的轨道预报精度均低于对IGSO卫星和MEO卫星的预报精度。

利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法——综合判据法

及时准确地发现在轨卫星的轨道异常意义重大.通过有效的异常算法、能够找出发生轨道异常的碎片或航天器,为空间碎片碰撞预警系统分析和验证碰撞事件提供数据支持.通过对利用TLE(Two Line Elements)数据分析LEO在轨卫星轨道异常的方法研究,提出了一个利用单个卫星相邻根数时间差控制加综合判据的判别方法分析表明,相对于取单一因素阈值的判别方法,综合判据法能够最大限度地减少漏判,并且保持相对较高的判断准确率.

基于TLE数据的空间目标EDR分类及观测需求计算

根据能量耗散率(EDR)的定义及空间目标的大气阻力摄动加速度公式,推导出一种由卫星两行根数(TLE)数据计算空间目标EDR的方法.该方法无需计算空间目标弹道系数和大气模型,EDR计算误差可在1%以下,并且运算量极小.此外,通过空间目标相对轨道的协方差矩阵描述空间目标的定轨精度,并结合扩展卡尔曼滤波方程,提出一种计算平面轨道下不同EDR空间目标的定轨精度-观测需求曲线的方法.仿真验证了EDR十算方法的有效性,并给出了雷达对不同EDR分类的目标观测时对应的定轨精度-观测需求曲线.结果表明当观测稀疏时,目标轨道预报误差正比于EDR,而观测较多时,会有观测饱和现象.

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。

基于TLE的空间目标碰撞预警计算

地球轨道上数量日益增长的空间飞行物体对在轨航天器及人类航天活动构成了严重威胁。分析了空间目标两行轨道根数(TLE)的格式及构成;阐述了相应的SGP4/SDP4轨道近似解析解模型算法;提供了轨道坐标系和惯性坐标系之间的转换关系;利用TLE数据和SGP4/SDP4模型进行了空间目标碰撞预警计算。该方法对于航天器初步威胁评估具有重要意义。

基于SGP4模型的空间站轨道精度分析

针对在地面站天线对空间站观测任务中,通常基于卫星工具包(satellite tool kit,STK)软件规划出天线对空间站的方位角和俯仰角,实现天线对空间站的自动跟踪.为了保证天线跟踪的准确性和可靠性,需要定期计算出准确的空间站轨道和天线的方位俯仰角,并更新规划任务.因此科学分析与评估空间站两行轨道根数(two line elements,TLE)长期预报精度,对地面站实现空间站的精准跟踪具有重要意义.本文以中国空间站(China Space Station,CSS)梦天实验舱为例,基于TLE数据,利用STK软件提供的简化常规摄动规模型(simplified general perturbations4,SGP4)模型计算空间站轨道以及空间站相对于西安地面站的方位角和俯仰角,并分析不同策略下的精度效果.试验结果表明:在第二天更新空间站的TLE,可以获得较好的轨道结果,从而更好地保障天线的跟踪精度.

基于TLE和SDP4模型的GPS+北斗混合系统DOP值模拟

以卫星两行轨道根数(TLE)和简化常规/深空扰动的近似解析解(SGP4/SDP4)模型预报卫星的空间位置,并以南京地区某地面站为例,分析了单北斗、单全球定位系统(GPS)和GPS+北斗3种卫星定位系统下南京地区的精度衰减因子(DOP)在2013-05-16—2013-05-23 1周时间的变化特点,以指导制定地面全球导航卫星系统(GNSS)观测方案。该分析可增强对GPS和北斗系统定位精度了解。

低轨航天器弹道系数估算及热层大气模型误差分析

利用低轨（LEO）航天器在轨期间两行轨道根数（TLEs）数据，结合经验大气密度模型NRLMSISE00，反演计算得到其在轨期间的弹道系数B’，以31年B’的平均值代替弹道系数真值，分别通过标准球形目标卫星对比以及物理参数基本相同的非球形目标卫星对比，对弹道系数真值进行了检验；利用不同外形目标卫星弹道系数在不同太阳活动周内的变化规律，结合太阳和地磁活动变化，估计经验大气密度模型的误差分布．结果表明，利用反演弹道系数31年的平均值来代替真值，其在理论值的正常误差范围内；大气密度模型误差在210~526km高度范围内存在相同的变化趋势，且模型误差随高度增加而增大；在短周期内B’变化与太阳活动指数no．r存在反相关性；密度模型不能有效模拟2008年出现的大气密度异常低．以上结果表明，经验大气密度模型结果需要修正，尤其是在太阳活动峰年和谷年，此外，磁暴期间模型误差的修正对卫星定轨和轨道预报等也具有重要意义．

利用数值法获取两行根数

从应用角度探讨了如何利用数值方法获取两行根数(TLE)。该方法的特点是以差商代替微分,避免了繁琐的偏导数求解。结果表明,该算法简洁明了,运算速度快,适用于要求实时性的应用。

基于TLE的低轨巨星座控制研究

近几年来,美国SpaceX, OneWeb等创新型企业纷纷计划打造低轨巨型卫星星座,引发卫星互联网的发展热潮。本文利用公开的两行轨道根数(two-line element, TLE)对国外星座控制策略进行分析,重点分析了铱星、一网、星链星座的控制规律。通过相对相位偏差分析,反演得到星座中不同卫星之间的平半长轴差,避免了小控制量条件下难以通过平半长轴判断卫星是否进行了轨控的问题。获得了国外星座控制频次和控制精度等重要信息,所得结论能够为我国未来互联网星座的建设提供参考。

基于TLE的Starlink星座第一阶段部署情况分析

近年来,随着卫星技术的快速发展和低轨(low earth orbit,LEO)卫星宽带互联网建设需求的不断增加,低轨大规模星座发展日新月异。针对Starlink星座初始化部署问题,首先论述了“星链”(Starlink)星座现状,分析在轨卫星高度变化。然后利用公开的两行轨道根数(two-line element,TLE),从卫星发射入轨、轨道面分布两个方面,简要分析了Starlink星座的部署情况,给出升交点的变化规律;同时仿真分析了Starlink星座对地面的覆盖性能。最后,给出星座轨道面和相位分布、故障卫星处置以及可见卫星数量。所分析的结果以期为中国未来部署大规模LEO星座的建设提供借鉴。

星链卫星TLE轨道预报精度分析和改善

2019年5月24日,首批星链卫星发射升空,截至2023年末,已经有超过5500颗星链卫星进入轨道.然而,这么大规模的低轨道星座给其他工作卫星,尤其是空间站的稳定运行带来了极大的困扰,原因之一是星链卫星轨道误差大(有时高达十几千米).目前公开获取的轨道数据集中,两行根数(TLE)数据包含最多的太空目标轨道信息.分析星链卫星TLE数据的精度,并针对升轨期、稳定期以及降轨期的不同星链卫星,提出改善星链卫星TLE轨道预报精度的方法,并开展了性能分析.成果可以应用于各类卫星星座或太空碎片等的TLE数据的轨道预报分析和优化.

空间观测序列图像目标运动成像仿真

研究了空间观测序列图像目标运动性质仿真算法。首先,利用平均轨道根数(TLE)预测目标和搭载观测相机卫星在真赤道、平春分点(TEMED)坐标系的位置矢量,通过成像时相机与目标之间的几何关系对目标的运动性质进行了分析,同时对影响序列图像恒星位置的因素进行了分析;规范了成像定标中的星等与灰度的转换关系,用16bits灰度图像对星图进行仿真,扩大了星图的动态范围,提高了星图仿真的精度。最后,以搭载天基可见光探测器(SBV)的美国中段实验卫星轨道为载荷卫星运行轨道,对天基观测序列图像进行了仿真,结果表明本文给出仿真序列图像与美国公开发表的SBV相机拍摄图像基本一致。

基于J_2摄动模型的卫星轨道预测算法精度评估

介绍了基于J2摄动模型的经典轨道六根数预测卫星轨道的算法,并验证算法实现的正确性;以典型的卫星轨道为例,利用STK软件以两行根数(TLE)对卫星轨道的预测结果作为精度评价的参考,分析评价基于J2摄动模型的轨道六根数预测卫星运行轨道的精度。并根据评估结果研究不同卫星轨道所受到的摄动的影响因素,分析基于J2摄动模型的轨道六根数预测卫星轨道算法的适用性。

星间链路监控的建模与仿真

卫星将是现代战场获取情报的主要来源。通过与数据中继卫星构建星间链路转发信息的方式,卫星可以实时传递战场情况。根据卫星轨道递推、卫星通信和实施链路监视的可行性原理,提出了一种星间链路监视模型,该模型通过对卫星轨道递推的仿真以及星间链路监视的几何构型要求,能够对可监视的目标卫星之间的星间链路进行时间预报和角度预报,为干扰和控制星间链路提供数据支持。还进一步论述了两种不同方式的轨道递推方法之间的结果差异,并就轨道递推精度对监视时间和卫星高低角方位角的影响进行了讨论。