低轨卫星轨道拟合及预报方法研究

以低轨卫星CHAMP为例,采用切比雪夫多项式对其轨道进行拟合与外推,分析不同拟合时间长度和多项式阶数对拟合精度的影响,并讨论短时间预报的可行性。切比雪夫多项式与拉格朗日插值、常规多项式的拟合效果的比较结果表明,切比雪夫多项式明显优于后二者。以m级精度的星载GPS单点定轨结果分析切比雪夫多项式对CHAMP卫星轨道的预报精度,验证了该方法的数值稳定性。切比雪夫多项式可用于低轨卫星实时定轨中短时间的轨道外推。

双星轨道拟合的研究进展

双星轨道拟合是天文学的一项基础性研究工作。其主要目的是给出双星系统的二体轨道参数,这些参数不仅是高精度、高网格密度星表参考架的必要组成部分,而且也为理解各种有关观测现象提供了必要的动力学基础;更重要的是,双星轨道拟合可以直接估计恒星物理和星系天文学等领域极有应用价值的恒星质量参数。因此,长期以来双星轨道拟合工作一直受到研究者的广泛关注。近年来,随着高精度的恒星运动学观测资料的大量积累,双星轨道拟合更成为天体测量和天体力学的一个共同的热点课题,有关研究也有了长足的进展。综述了双星轨道拟合的历史及现状,其中着重介绍了目前所用的主要观测资料和各种具体的拟合模型、拟合方法;简要描述了几种主要的双星星表;展望了今后双星轨道拟合工作的发展趋势。

基于多种观测资料的双星轨道拟合研究

双星轨道拟合研究的主要目标是给出双星系统完整的运动学参数,包括质心运动学参数、二体轨道参数、恒星质量参数等.这些参数不仅是高精度、高密度星表参考架的必要组成部分,而且为恒星物理、星团和星系天文学等领域的研究提供了重要帮助.

三种力学模型对低轨卫星轨道拟合的影响分析

针对低轨卫星的轨道拟合问题，分析了传统大气阻力模型、经验力模型和伪随机脉冲模型的基本特性。以GFZ提供的GRACE—A卫星精密星历作为基本观测量，分别采用上述三个力学模型进行了轨道动力学拟合实验。实验结果表明：采用伪随机脉冲模型得到的轨道精度最高，R、T、N三个方向RMS不超过0．002m；其次是经验力模型，RMS不超过0．004m；大气阻力模型精度最差，R和T方向RMS分别不超过0．02m和0．03m，N方向则基本不超过0．06m。

ZY-3卫星轨道拟合与预报精度分析

卫星轨道作为构建高分辨率遥感影像严密几何成像模型的必要参数,其精度对卫星影像几何定位精度有直接影响,故研究如何获取卫星成像时刻的精确位置具有重要意义。本文分别基于最佳平方逼近多项式和最佳一致逼近多项式对ZY-3卫星实时轨道与事后精密轨道进行了拟合与平滑,进一步探讨了实时轨道预报的可行性。研究结果表明,最佳平方逼近多项式拟合结果明显优于最佳一致逼近多项式拟合结果,且事后精密轨道拟合精度为厘米级,可以改善并提高实时轨道精度及进行轨道短期预报,为遥感影像高精度几何处理提供精确可靠的外方位线元素。

稀疏轨道条件下SAR几何校正轨道拟合策略

针对SAR影像头文件中提供的轨道矢量分布较为稀疏时,使用低阶多项式拟合轨道参数会存在较大误差,从而导致基于距离-多普勒模型的星载SAR影像几何校正精度较差的问题,提出了一种稀疏轨道条件下实用的轨道拟合策略。通过对轨道拟合误差进行分析,综合考虑距离-多普勒模型的解算与现有几何校正资源,选择使用高阶插值方法生成卫星成像时刻处足够的加密点轨道状态矢量,再对局部的轨道进行二阶多项式拟合,利用拟合的轨道模型系数进行几何校正。利用实测GPS点数据进行了SAR几何校正精度验证,结果表明该策略能够明显改善ALOS2PALSAR影像几何校正精度,证明了该方法的有效性和良好的适用性。

基于配置积分器的GPS卫星精密星历轨道拟合

本文详细推导了配置积分器的基本原理，并针对卫星进入地影或月影时配置积分器需要变步长的问题，提出了将变步长配置积分器转换为定步长的改进方法；同时，利用CODE精密星历作为虚拟观测量，进行轨道拟合实验。实验结果表明：与GPS精密星历相比，拟合后的轨道在R、T和N三个方向RMS均在0．01m以内。

基于切比雪夫多项式的LEO卫星轨道拟合与预报精度分析

为了实现对低轨卫星长弧段、高精度的轨道拟合和预报,运用切比雪夫多项式的方法进行卫星轨道拟合和预报。选用GRACE-A卫星、HY-2A卫星和JASON-2卫星为例进行预报处理,分析了卫星的轨道高度和拟合弧长对轨道拟合和预报结果的影响。结果表明:选取合适的拟合区间和拟合阶次数,3颗卫星的轨道拟合结果均可达到毫米级精度,并且均可实现对3颗卫星的短期高精度的厘米轨道预报。

HY-2卫星精密轨道拟合与外推的两种方法比较

分别采用切比雪夫曲线和最小二乘曲线拟合HY-2(海洋二号)卫星精密轨道,并进一步解算速度场与预报轨道。结果表明:最小二乘曲线拟合结果明显优于切比雪夫曲线拟合结果,拟合轨道精度为1～2cm,拟合速度场精度为1～2cm/s,且可以进行轨道短期预报,预报轨道精度与拟合轨道精度相当。

基于BDS广播星历的卫星轨道拟合精度分析

在实时定位导航中,为了提高利用BDS广播星历计算卫星位置的效率,提出将卫星轨道拟合为一个多项式.首先利用切比雪夫多项式拟合法,将拟合时段固定为1h,拟合间隔固定为5min,每30s选取一个检验点,利用不同的拟合阶数,分别对GEO、IGSO、MEO三类不同类型的北斗卫星轨道进行拟合分析;然后将拟合阶数固定为9,利用2～6min的拟合时间间隔,将三类卫星作为整体进行轨道拟合分析.算例表明,只要选取合适的拟合阶数,三类不同类型的北斗卫星轨道拟合精度都较高,拟合误差最大值在厘米级,误差均值在毫米级,满足精度要求;固定9阶拟合多项式时,2～6min时间间隔的拟合精度都可以满足精度需求.切比雪夫多项式拟合法适用于BDS广播星历的卫星轨道拟合.

伪随机脉冲对卫星轨道拟合精度影响分析

研究伪随机脉冲在吸收低轨卫星和4大导航系统卫星未模型化摄动力方面的有效性,分析其对拟合轨道精度的影响。结果表明,伪随机脉冲能够有效吸收低轨卫星及GNSS卫星未模型化的摄动力。对于低轨卫星,伪随机脉冲能够有效模拟大气阻力对轨道的影响,达到mm级拟合精度;对于GNSS卫星,伪随机脉冲能够在一定程度上吸收太阳光压摄动,尤其是与ECOM太阳光压模型联合使用,能够充分吸收ECOM模型未能吸收的摄动力,只需每天设置一组伪随机脉冲参数,其拟合精度能达到mm级。

不同轨道类型LEO卫星轨道拟合及预报精度研究

低轨道地球卫星(LEO)的精度直接影响到LEO卫星的应用领域,因此研究合适的模型提高LEO卫星轨道插值/预报精度是一项很有意义且必要的工作.本文详细研究了滑动切比雪夫多项式、克里金算法在不同类型LEO轨道的拟合、预报精度.结果表明:采用合适的拟合策略,两种算法均能获得毫米级的插值精度;相较于滑动切比雪夫多项式,克里金算法拟合轨道的空间误差分布更为集中,未随着历元变化出现大幅波动.克里金算法预报轨道的精度低于滑动切比雪夫多项式;采用克里金算法预报60 s,各颗LEO卫星轨道预报的精度在1-2.5 m;采用滑动切比雪夫多项式预报120 s,各颗LEO卫星可获得优于5 m的轨道精度.

基于精密星历的切比雪夫多项式卫星轨道坐标拟合研究

卫星位置的计算是GPS卫星定位中的一个关键环节。本文介绍了基于精密星历的切比雪夫多项式轨道拟合原理并通过自编程序实现,分析了不同时间间隔和不同阶数多项式对于轨道内插精度的影响,最后给出了一些有用的结论。

基于拉格朗日插值法的GPS卫星轨道位置拟合

为了克服GPS精密星历15 min才提供一次数据的缺陷,以在进行实际导航定位时获取任意时刻的卫星瞬时坐标,采用拉格朗日插值法对星历插值进行研究。利用IGS提供的2017年4月5号的精密星历数据,通过MATLAB编程进行拉格朗日插值,使用不同阶数对其插值,并利用不同阶数插值的结果与真值进行比较,指出当插值结果趋于稳定时,其插值结果与真值之差能够达到毫米级,拉格朗日插值法易于编程且插值结果具有唯一性,能够满足大部分用户的需求。

基于单组广播星历的GPS卫星在轨位置的拟合计算

对只接收到一组GPS卫星广播星历的情况下应用广播星历拟合计算卫星在轨位置的方法进行了研究,通过与精密星历进行比较,对拟合计算的精度进行了说明。

参考系选择对Kepler广播星历参数拟合精度的影响

通过对MEO、IGSO、GEO三类导航卫星广播星历的开普勒轨道根数拟合方法及其拟合精度的分析研究，得出结论：开普勒轨道根数拟合导航卫星广播星历的方法，能很好吸收坐标变换过程中岁差、章动、极移、地球自转等因素对卫星星历拟合精度的影响。

勒让德多项式拟合IGS精密星历的算法改进

国际GNSS服务(IGS)精密星历每隔15 min提供一次卫星坐标,为了提高定位精度,往往需要获取任意时刻的卫星位置.对IGS精密星历进行插值和拟合是获得连续历元卫星坐标常用的方法.运用改进的勒让德多项式算法拟合卫星轨道坐标,并与常规算法进行比较,结果表明:常规算法仅在拟合阶数较低时能保持较高的精度.在拟合时段为6 h时,LU分解(LU Decomposition)法与奇异值分解(SVD)法对奇异矩阵求解时均能保持较高的精度,而在拟合时段为12 h时,SVD分解法是对条件数较低的矩阵B进行分解求得多项式系数矩阵C,从而避免了病态矩阵产生的误差,因此仍能保持较高的精度.在高阶拟合时,SVD分解法无论是在精度还是稳定性方面均优于LU分解法和常规算法,优势明显.

成都地铁7号线轨道不平顺谱特征分析

目的:为了对列车运行的平稳性、安全性、舒适性以及环境振动噪声进行更好的控制,亟需展开针对成都地铁线路进行轨道不平顺谱的分析研究。方法:采用轨检车对成都地铁7号线轨道弹性变形和永久变形的叠加状态进行动态检测,测试项目主要包括左右轨的高低不平顺、轨向不平顺、水平不平顺及轨距不平顺等。然后采用目前最常用的功率谱密度估计方法——Welch法(改进的周期图法)进行功率谱密度计算,得到统计期内被测轨道的长波高低不平顺谱、轨向不平顺谱、轨距不平顺谱及水平不平顺谱,并对计算结果进行分析,总结出成都地铁7号线轨道不平顺谱的频率特性,并与国内外典型轨道谱进行对比。基于非线性最小二乘法,采用中国三大干线谱公式对成都地铁7号线轨道谱进行曲线拟合。结果及结论:轨道板板缝会影响轨道的长波不平顺;成都地铁7号线轨道不平顺谱均存在空间频率为0.04 m-1整数倍的窄带谱峰,该空间频率与无缝钢轨相邻2个焊缝间的线路长度吻合,焊缝不平顺已经成为了严重影响轨道状态以及列车运行的问题;成都地铁7号线轨道的平顺性优于美国、德国以及我国的普速铁路(尤其是波长大于19 m的长波频段),但不如我国的高速铁路无砟轨道;中国三大干线谱更适用于成都地铁7号线。

参考系选择对广播星历拟合精度的影响

通过对MEO、IGSO、GEO三类导航卫星广播星历的开普勒轨道根数拟合法和拟合精度的分析研究，提出了简化GEO卫星星历拟合和用户算法的新方法，并根据不同卫星的星历拟合算例分析，得出以下主要结论：开普勒轨道根数拟合广播星历的方法，能很好吸收坐标变换过程中岁差、章动、极移、地球自转等因素对卫星星历拟合精度的影响，卫星广播星历拟合的楠度，主要取决于参数拟合采用的形式是否与卫星受到的摄动力表现形式相吻合．

GPS轨道实时预报对比研究

结合已有星历资源的不同特点,给出两种GPS轨道的实时预报方法,分析对比了不同星历应用于轨道实时预报的精度,结果表明,基于超快预报星历的预报效果最优,其7天轨道实时预报精度优于20 m。