基于双频GPS观测信息和星间距离测量的高精度星间相对定位方法

以双星编队为对象,建立了基于GPS双频P码、双频载波相位以及星间距离观测信息的相对定位样条模型。理论分析与仿真结果表明:与仅采用单频GPS测量信息相比,该方法不仅能有效地提高相对定位精度,而且还能大大减少整周模糊度判定所需的历元数。

星间距离影响GRACE地球重力场精度研究

利用改进的能量守恒法,基于不同星间距离反演了120阶GRACE地球重力场。模拟结果表明：第一,基于相同的GRACE核心载荷精度指标反演长波（L≤20阶）地球重力场时,随着星间距离逐渐增大（110330 km）,累计大地水准面的精度依次提高。在20阶处,基于110 km星间距离反演精度为0.052 cm,基于220 km和330 km星间距离反演精度分别提高了1.156倍和1.209倍。第二,当反演中波（100≤L≤120阶）地球重力场时,在120阶处,基于110 km星间距离反演精度为13.052 cm,基于220 km和330 km星间距离反演精度分别降低了1.327倍和1.970倍。第三,星间距离设计为220±50 km可有效抑制由于星间距离选取不当而导致的长波和中波地球重力场精度的降低。

低低跟踪重力卫星星间距离变率对区域质量异常敏感度分析

推导了区域质量变化和球谐系数变化量之间的函数关系,根据该关系式可将不同区域质量异常对重力场变化的影响分离出来。设计仿真实验,分析时变重力场模型下星间距离变率相对稳态背景重力场模型下星间距离变率值的残差变化。结果表明,区域质量异常对星间距离变率的影响在空间分布上是有限的,但星间距离变率对区域质量异常具有很高的敏感性。

基于星间距离测量的静止卫星相对自主定轨方法研究

地球静止卫星之间的位置保持与控制对于提高通信容量、有效利用空间频谱具有重要意义。从星间相对运动的角度,研究以星间距离为观测量实现静止卫星的相对自主定轨,给出了系统的可观测性条件,并进一步对定轨性能进行了数值分析。

高精度星间距离测量的仿真

重力测量和气候实验卫星(GRACE)是一项专用的航天任务,它的任务目标是绘制高精度的地球引力场模型。主要的测量手段是使用双单向微波测距系统测量两颗共轨卫星间距离的变化,并通过两个单向测距系统的组合,使振荡器漂移的影响达到最小。本文使用全面的误差模型对相位测量进行了仿真。仿真结果显示,使用双单向测距系统能得到较高的测距精度。

基于星间距离变化的动态双向时间同步算法

以卫星双向时间同步算法为基础,分析了运动卫星之间的双向时间同步信号传播延迟随星间距离的变化特点,推导了按此算法计算得到的卫星钟差随星间距离的变化规律,提出了一种利用星间伪距拟合多项式和钟差拟合多项式联合求解高精度星间钟差的卫星动态双向时间同步算法。实际卫星的仿真数据表明,该算法能够把星间的时间同步误差控制在5 ns以内,可用于星间高精度时间同步。

联合GRACE卫星轨道及距离变率数据反演地球重力场方法研究

基于动力学法,研究联合GRACE卫星精密轨道及距离变率数据反演地球重力场的方法,该方法可对重力位系数及卫星初始状态误差同时进行有效校正。通过对各观测值模拟不同的随机误差,研究了不同精度观测值联合反演所能达到的精度,以及用相同精度的观测值进行联合反演时不同采样率对反演结果的影响,模拟计算结果表明：联合反演模式下,当距离变率精度为1μm/s,卫星位置精度为23 cm,速度精度为0.10.5 mm/s时,加速度计精度为（1.0×10^-10-1.0×10^-9）m/s^2比较适合;将距离变率精度由1 um/s提高到0.1 um/s时,反演精度可获得相应提高;在观测值精度一定的情况下,联合反演算法宜采用5 s采样率。

一箭多星发射卫星空间距离测量与预报技术

多星空间距离测量是一箭多星发射的一项重要任务。由于站点分布限制和轨道条件约束,国内多数卫星存在地面不可监测弧段,传统的地基测定轨方法无法满足全弧段连续性要求。针对上述问题,对星间距离测量技术进行了研究,提出了利用GPS进行星间距离测量的方法;并提出利用基于GPS数据的简化动力学模型法及多项式拟合法进行星间距离测量和预报,结果显示,预报10min的位置精度为数十米量级。该方法突破了地基测控可见区的限制,实现了全弧段的轨道确定,并规避了GPS接收机可能存在的短时中断或由于通信原因不能实时获得测量结果的风险;可为分析确定多颗卫星间的安全距离提供参考。

椭圆轨道编队小卫星星间链路几何特性研究

该文对编队飞行小卫星的星间链路几何特性(方位角、仰角及星间距离)进行较为深入的研究。在提出椭圆轨道下编队小卫星星间链路几何特性的计算公式后,结合实例做了相应的仿真,并对仿真结果进行了进一步的讨论,得到了星问链路几何特性随轨道参数变化的规律。对于未来星座设计、编队小卫星组网等方面具有较大的参考价值。

Improved-GRACE卫星重力轨道参数优化研究

基于改进的半解析法,利用激光干涉系统星间速度误差、GPS接收机轨道位置误差和轨道速度误差以及加速度计非保守力误差影响累计大地水准面的联合误差模型,开展了我国Improved-GRACE卫星重力测量计划轨道参数的优化选取论证。模拟结果表明:1)在300阶处,基于350km轨道高度估计累计大地水准面的精度为3.993×10-1m,基于300km和250km轨道高度估计精度分别提高了8.770倍和77.145倍,基于400km和450km轨道高度估计精度分别降低了8.718倍和75.307倍;2)基于50km星间距离估计累计大地水准面的精度为3.993×10-1m,基于110km和220km星间距离估计精度分别降低了1.259倍和1.395倍;3)我国将来首颗Improved-GRACE重力卫星的平均轨道高度和平均星间距离设计为350km与50km较优。

新一代GRACE重力卫星反演地球重力场的预期精度

基于低低卫卫跟踪模式,本文主要探讨利用动力学法融合精密轨道数据和星间测距或距离变率数据求解地球重力场的基本原理与方法,该方法既可对两颗低低跟踪卫星的初始状态误差进行有效校正,也可充分利用低轨卫星轨道所包含的低频重力场信息.为探讨适合我国国情的低低跟踪模式下的重力卫星指标,本文以不同星载设备精度指标的组合进行模拟计算,模拟结果显示:(1)把GRACE卫星的星间距离变率指标提高一个量级,其余指标保持与GRACE卫星设计指标一致时,可使地球重力场的精度获得同量级的提高;(2)若星间距离变率为1.0×10-8 m.s-1,轨道高度为300km,加速度计精度为3.0×10-10 m.s-2,轨道精度为0.03 m,星间距离100km,与利用GRACE的设计指标反演出的重力场精度相比,可提高约121倍,并建议我国未来低低跟踪重力卫星计划参考此指标.

数值模拟估算低低卫-卫跟踪观测技术反演地球重力场的空间分辨率

从两个方面模拟研究了低低卫-卫跟踪观测技术恢复地球重力场的空间分辨率.利用重力位系数作为扰动量,积分30天的轨道,研究重力位系数变化引起低低卫-卫跟踪星间距离和速率变化,结果表明,对于地球重力场模型EGM96的前12 0阶,99 8%和97%的位系数扰动引起星间距离和速率变化的均方差大于1×10 - 5m和1×10 - 7m s ,并且星间距离观测值对地球重力场的反应更为敏感.不考虑非保守力误差的影响,用随机误差为1×10 - 5m和1×10 - 6 m s的星间距离和速率变化作模拟观测量,恢复了78阶地球重力场位系数,结果表明,采用随机误差为1×10 - 5m的星间距离恢复地球重力场的精度明显高于1×10 - 6 m s的星间速率结果,但是如果考虑非保守力误差影响,则星间测速的优越性大大增强.

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.

球谐分析方法对GRACE大气去混频模型计算的影响

基于球谐分析的解析积分公式,导出5种适合于大气去混频模型计算的球谐分析公式。采用无误差和加入误差的模拟大气压数据,通过"闭环"过程分析了5种球谐分析方法的正确性和有效性。基于ERA-Interim表面大气压数据,采用5种球谐分析方法计算了5组大气去混频模型。通过星间距离变率残差和累计大地水准面误差比较可知,不同球谐分析方法可导致星间距离变率残差的差距最大达0.6nm/s。第一类Neumann方法精度最高,证明5种球谐分析方法对现有GRACE卫星重力恢复的影响可忽略;但对于未来采用激光测距的卫星重力任务,建议大气去混频模型计算采用第一类Neumann方法。

我国第二代低低跟踪重力卫星关键载荷精度指标匹配设计

本文分别给出了星间距离变化率误差模型、轨道位置误差模型以及非保守力误差模型，并利用该模型计算得到了我国第二代低低跟踪重力卫星的星载激光干涉测距系统、加速度计和GPS接收机相匹配的三组精度指标。利用三组相匹配的关键载荷精度指标反演得到的地球重力场模型，分别在209阶、275阶和338阶时达到1．8cm的累积大地水准面精度指标。

利用局部高空间分辨率大气数据计算GRACE大气去混频模型

在计算GRACE重力场反演中的大气去混频模型时,针对ECMWFop或ERA-Interim大气数据空间水平分辨率不足的问题,提出了一种局部区域高空间水平分辨率大气数据与全球大气数据合理拼接融合的方法。利用欧洲局部区域的大气数据与ERA-Interim大气数据融合计算了一组改进的大气去混频模型,从谱域、空域及星间距离变率残差角度分析了改进大气去混频模型的质量。结果表明改进大气去混频模型相对于常规大气去混频模型的质量提高最大比例为1.87%,与AOD1BRL05相对于RL04的提高比例2.27%相当,验证了高空间水平分辨率大气数据确实有助于提高大气去混频模型质量的结论,为改进GRACE提取局部区域特定质量变化信号提供了一种方法。

SST-11重力卫星轨道参数指标设计论证

本文结合我国发展卫星重力测量系统的需求，针对如何确定重力卫星轨道参数的技术指标问题，以数值实验为手段，分析并计算了重力卫星轨道高度、卫星星间距离和卫星轨道倾角的设计指标，讨论了两颗重力卫星轨道长半轴的一致性要求、姿态俯仰角的控制要求以及编队保持机动的时间间隔要求。结果表明，我国将来低低跟踪模式中重力卫星的轨道高度应在400～500km之间，星间距离应为220km左右，卫星轨道倾角应该位于极轨和太阳同步轨道之间，双星轨道的长半轴之差需要控制在±70m的范围之内，双星的姿态俯仰角应控制在0．9。左右，双星编队保持机动的时间间隔要求在7一15天之间。

导航星座自主定轨抗差滤波算法

针对在复杂环境条件下星间测量值存在粗差的问题,提出将抗差滤波算法应用到导航星座自主定轨解算中。抗差滤波算法对观测向量应用极大似然估计准则,对状态预测向量仍使用最小二乘估计,通过等价权因子的作用,能够有效发现并降低粗差对解算结果的影响。仿真实验结果表明:粗差对星座自主定轨结果影响较大,在含有粗差的观测历元,自主定轨误差较大;抗差滤波能够有效降低粗差对自主定轨滤波结果的影响,且等价权函数采用指数幂函数的抗差滤波结果要优于采用Huber函数的结果。

基于引力位系数相对权重的卫星重力场测量分析

卫星重力场测量已成为最有效的全球重力场测量手段.本文结合典型的重力卫星和重力卫星研究计划,分析了卫星重力测量的三种原理,并基于各阶位系数的相对权重讨论了各种原理的应用优势.分析可知,卫星受摄轨道适用于恢复长波重力场,低轨星间距离变化率适用于恢复中长波重力场,重力梯度适用于恢复中短波重力场.针对中长波高精度重力场测量的需要,设计了综合获取低轨星间距离变化率与受摄轨道的重力卫星方案,该方案由两组内编队组成星星跟踪复合编队,轨道高度为250km,星间距离为50～100km.

SST-LL重力测量卫星轨道分析

论述了SST-LL重力测量卫星科学任务对轨道寿命、地面覆盖性能、轨道高度单圈波动、星间距离变化范围的需求。根据需求,计算了轨道的自然衰减情况,得出轨道初始高度为500km;综合考虑地面覆盖要求及运载火箭能力,得出了最佳轨道倾角为89°;得出了0.002 0偏心率下轨道高度波动范围不超过50km;分析得出星间距离的长周期变化主要受大气阻力影响,初步确定了轨道控制方案,即定期对受大气阻力较大的卫星进行轨道机动。