天地基联合多星定轨及精度分析

数据中继卫星和双星定位系统通常由2或3颗地球同步卫星和数颗近地卫星组成,这些系统所提供的“星-星”测量数据提出了多星同时定轨的需求。文章介绍了已知天基星星历定轨和未知天基星星历定轨的主要差别,建立了距离和观测量的测量模型,描述了多星同时定轨的技术难点,分析了整个系统的定轨精度。

多星定轨条件下北斗卫星钟差的周期性变化

基于地面监测网的多星精密定轨可以同时解算出北斗卫星轨道和卫星钟差。由于轨道和钟差的耦合影响,卫星钟差时序难免会出现周期性波动。此外,受限于目前并不完善的北斗全球监测网络分布、系统导航文件缺失以及定轨后处理软件的设置问题,3类卫星的钟差均存在大量数据间断问题。本文利用适用于间断数据的谱分析方法,对多星定轨条件下的北斗卫星钟差数据进行了周期项提取,并利用周期项改进后的钟差预报模型评估了24h以内的预报精度。基于近一年的数据分析表明,北斗GEO卫星钟差3个主周期依次为12、24和8h,IGSO卫星钟差的3个主周期依次为24、12和8h,而MEO卫星钟差的3个主周期依次为12.91、6.44和24h。与改进前相比,周期项改进后的钟差预报模型将北斗卫星钟差在24h以内的预报精度提高了20%~40%。

混合星座条件下的多星定轨及其精度

为了实现与确保区域导航服务能力，COMPASS设计采用GEO／tGSO／MEO混合星座，利用区域监测网完成卫星轨道测定与预报，并通过预报星历确保导航服务。在区域布站条件下，难以实现对IGSO／MEO卫星的全弧段跟踪；混合星座条件下，不同卫星的动力学特性存在一定的差异，尤其是首次采用GEO卫星，其静地特性致使轨道与钟差强相关，为动力学模型选取带来一定的困难。这些不利因素都给轨道确定带来一定的挑战。本文给出了区域监测网条件下多星定轨的测量模型与动力学模型，设计了轨道与钟差参数的解算方案，系统地分析与论证了区域布站条件下的混合星座定轨精度。试验表明，卫星三维位置精度优于2m，基于激光数据检验的GEO卫星轨道预报2h视向精度优于0．3m．IGSO卫星轨道预报6h视向精度优于0．4m。

基于星间测量的航天器精密定轨技术研究

在我国自主实施的交会对接任务中,2个空间目标进行了数次对接试验,在近距离导引段使用星间测量数据进行自主导引。针对2个航天器对接过程中的星间测量数据建立观测模型,并设计了多目标定轨的算法,将单目标的绝对测量融合到两目标联合定轨的技术中,实现了对空间多个目标的精确定轨。最终分析表明,星间测量数据优于地面测量精度,多目标定轨达到了地面精确测控的水平,同时避免了由于多目标同时跟踪而导致的地面测控资源分配的问题,为后续载人航天任务的测控模式提供了借鉴。

基于动态阿伦方差的北斗星载原子钟特性分析

针对传统的阿伦方差等评价手段无法实现对星载原子钟进行动态性能评估的缺陷,将动态阿伦方差引入到BDS星载原子钟的监测和评估中。采用BDS多星定轨卫星钟差产品,基于动态阿伦方差算法对BDS原子钟在轨性能进行了研究,并利用BDS星地双向无线电时间比对钟差数据对其结果进行了对比和验证。实验结果表明,动态阿伦方差算法可以实现对BDS星载原子钟动态特性的有效评估,BDS原子钟的万秒稳定度的量级基本为在10-14,但是随着时间有一定的变化。

不同姿态控制模式下的北斗卫星定轨策略研究

北斗卫星的姿态控制分为动态偏置、零偏置和连续动偏3种,不同类型卫星、不同姿态控制模式、不同时段下定轨精度不一致,影响了北斗系统的连续性。详细研究了北斗不同类型卫星在不同姿态控制模式下的最优定轨策略,并基于实测数据进行试验,结果表明,BeiDou-2 IGSO(inclined geosynchronous orbit)/MEO(medium earth orbit)卫星采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM(extended CODE model)5参数模型相结合的方法定轨精度最优,零偏期间,用户等效距离误差值为2.08 m,全球激光评估轨道视向精度约为1 m;BeiDou-3 IGSO/MEO卫星采用常规多星定轨和ECOM 5参数模型相结合的方法定轨精度最优;连续动偏期间,用户等效距离误差值为1.22 m,全球激光评估轨道视向精度为0.23 m,与动偏期间精度一致;GEO(geostationary earth orbit)卫星在春秋分附近时段采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM 9参数模型相结合的方法定轨精度最优,用户等效距离误差值为0.72 m。