近地卫星星历的高精度星载算法研究

随着星载计算机系统结构和性能的改善,利用星载计算机实现高精度的星历计算成为可能。本文针对近地轨道卫星提出了一种适合星上轨道预报的数值算法。通过采用简化的动力学模型和一种嵌套插值算法的积分器,有效提高了计算效率,降低了对星载计算系统的性能要求,从而实现高精度的卫星星历星载计算。该算法在星载计算机系统平台上进行仿真验证的结果表明,对于某飞行器可实现轨道预报1天优于1km的星历计算。

近地卫星的GPS自主定轨算法研究

为了用ＧＰＳ实现近地卫星的高精度自主定轨，提出了采用序贯ＵＤ协方差分解滤波算法作为定轨算法．完整地给出了序贯ＵＤ分解算法的计算公式，详细地推导了系统的状态方程和观测方程，建立了由９维状态向量和８维观测向量组成的导航系统模型．最后作了数字仿真试验，试验结果表明，文中的定轨算法既有较高的精度又便于星上计算机的实现．

重力梯度力矩作用下近地卫星自旋运动规律分析

为研究近地卫星自旋运动规律,建立了近地卫星在受摄动影响的轨道上运行并受重力梯度力矩作用下的姿态运动模型,推导了自旋角速率满足一定条件下自旋运动的进动角、章动角、自旋角的解析解,对重力梯度作用下的自旋姿态运动规律进行了仿真分析,并用仿真计算结果验证了解析解的正确性。在轨道面缓慢进动情况下,当卫星绕最大主惯量轴自旋时,给出了自旋角速率取值范围表达式,在该取值范围内卫星自旋运动能够跟随轨道面一起进动,自旋轴以恒定的平均角速率进动,章动角在小范围内波动。建立的自旋姿态运动模型和分析结论可用于近地卫星姿态失控后的姿态确定和预测、在轨姿态设计及在轨备份等。

基于Hill方程近地卫星模型预测轨道保持方法

近地卫星偏离标称轨道的过程可以表示为该卫星和一个在标称轨迹上运行的"虚"卫星的相对运动,服从Hill方程。在此基础上建立一种在线控制方法,利用模型预测控制(MPC)进行轨道优化和偏差消除,使用多变量优化的控制算法,将控制量的大小与轨道器的轨道偏差联系起来,形成反馈系统,通过给出开环和前馈-反馈闭环两种形式的控制方程,建立基于甚小推力发动机多次点火的轨道控制方法,从而确定控制量将卫星轨道实时保持在偏差管道内。

近地卫星网络的一致随机超图数据传输模型

容忍延迟网络的架构提供了一种通信系统,更大程度地符合逐渐复杂的空间通信。针对近地卫星轨道网络,利用容忍延迟网络的bundle协议,数据块被封装成bundle包,在小卫星与地面基站之间进行传输。经过一段时间的传输和出错bundle包重传过程,利用随机超图构建了一致随机超图模型,建立bundle包传输的图结构,得出bundle包出错的概率和超图结构的关系,刻画了卫星与地面基站的消息传输过程。仿真实验证实了bundle出错概率和传输的图结构之间存在着紧密的关系。

近地卫星利用GPS自主定轨的精度

讨论近地卫星利用GPS 全球定位系统进行自主定轨的精度问题,建立了定轨精度与等效三维定位精度之间的关系,然后利用这种关系来推算C/A 码用户所能获得的定轨及位置精度。分析结果表明,10m 量级的定轨精度是可以达到的。

近地卫星长期SEU事件退火分析

针对近地卫星在轨运行中的单粒子翻转事件(Single Event Upset,SEU)的退火问题,选取某卫星器件长期积累的SEU数据为样本,在分析器件长期温度变化的基础上,详细统计SEU事件的星下点以及年、月等时空分布特征,并讨论SEU事件与地球磁场分布、F10.7曲线、中子监测数据的关联特性,最后以SEU事件发生的平均间隔为目标,建立退火模型,用实际数据进行退火估计。结果表明,SEU事件星下点发生在南大西洋异常区的达到67%以上,发生在南、北两极高纬度区域的超过16%,其它区域的不足17%;8、9、10、12这4个月份的SEU事件最多,占全年的38%以上;以远、近日点为参考时,发生在4～9月的约占50%,发生在其它月份的也在50%附近,两者十分接近;长期SEU事件受宇宙射线、太阳活动影响明显,长期性变化以宇宙射线影响为主,短期性变化以太阳活动影响为主;在轨道周期内温度变化约2℃、长期温升接近5℃的条件下,SEU事件时间间隔的均值约4.57d,退火零值约1.56×10-13 d,退火因子约7.94×10-15 d-1,衰减零值约24.34d,衰减因子约0.12d-1,退火特征并不明显,退火影响可不用考虑。

近地卫星测控中的一种GPS时间同步方法

针对近地卫星测控中的星地时间同步问题,首先建立星地时差模型,在重点分析星地时差误差源的基础上,提出使用星载GPS接收机的时间信息对卫星时间进行同步,并建立GPS时间同步模型,从理论上对星地时差进行误差源的比较和分析,最后应用于近地卫星测控。结果表明,利用GPS的星地时间同步方法的误差源少,时间同步精度高,误差在±1ms以内,精度优于1ms,并施用于在轨卫星长期管理与测控。

近地卫星陨落期地球反照系数估计

为了研究地球反照的可见光对太阳电池阵电流在卫星陨落期间的影响程度,进行阵电流的地球反照系数估计。以运行在300km高度、降交点地方时约10:30AM的某太阳同步轨道近地卫星陨落为例,在讨论卫星轨道半长轴、倾角、光照角、降交点地方时等参数漂移的基础上,重点分析卫星太阳电池阵电流和温度的变化,并对电流进行正弦曲线拟合,进而建立地球反照系数的估计模型,最后用卫星陨落期间的遥测数据进行检验。结果表明,卫星自300km轨道高度向100km轨道高度陨落期间,地球反照系数先由0.21逐渐变大,最大值接近0.40,后又逐渐变小至0.20附近;对估计值的二次曲线拟合结果表明,在轨道高度210~270km这一区间,地球反照对于太阳电池阵的作用最强,对应的地球反照系数极大值约为0.28,作用最强的中心区域可能在250km轨道高度附近。估计结果可应用于在轨航天器长期管理的遥测诊断、能源估计与预测、器件健康状态评估以及可见光载荷应用等方面。

利用近地卫星鉴定航天测控设备外测精度的方法研究

本文在分析和比较了几种外测系统精度鉴定技术途径的主要特点之后，重点阐述了卫星校准法的两种基本处理方式（直接比较法和自校准法），并简要分析了卫星校准法对近地卫星的轨道特性要求和国内在轨实用近地卫星的可用性。

近地卫星GPS接收机降级应用

针对GPS接收机发生SEL事件后的温度升高问题,在卫星轨道漂移分析基础上,重点考察卫星应答机的AGC电压与载波锁定的温度敏感特性,并确定载波锁定的温度上限,进而提出GPS接收机的降级应用方案,关闭轨道电路板。结果表明,应答机载波锁定时的AGC电压应在0.82V以下,对应卫星应答机温度不超过26.2°C;轨道电路板断电后,GPS接收机定位与守时功能正常,工作温度在20.5°C以下,发生SEL事件的概率降低;GPS接收机温度对于卫星应答机的影响明显减弱,应答机在原有上行约束下的载波锁定时长优于150s,满足上行遥控注入时限需求。降级应用方案已施行于大数量卫星集中监控与管理。

地球局部重力场对近地卫星轨道的影响

本文重点探讨了近地卫星的受力情况,从理论上分析了司托克斯积分公式的一些特性,给出了高空扰动引力的误差量级及适当的近区域积分半径;最后,利用数值积分方法,对几种情况的卫星轨道计算进行了比较分析。

一种基于Madgwick-EKF融合算法的卫星姿态测量方法

针对低地球轨道卫星姿态测量时,传感器易受噪声干扰、陀螺仪漂移等问题,提出一种基于Madgwick扩展卡尔曼滤波合算法(EKF)的卫星姿态测量方法。该方法采用陀螺仪、加速度计、磁强计等多传感器数据进行融合,并结合Madgwick算法和EKF算法的优点,实现姿态测量。首先,通过Madgwick算法,利用多个传感器测量数据计算初始姿态。然后,基于初始姿态和实际测量数据,应用EKF算法进行数据融合和噪声滤除,以获得最终准确的姿态估计。实验结果表明:相较Madgwick算法,本算法在测量精度上提升了65.8%,且具有较高的鲁棒性,为低地球轨道卫星姿态测量提供了一种有效的方案。

基于北斗一号的近地卫星天基测控技术及应用

研究了利用北斗一号短消息传输功能支持天基遥测遥控技术;利用其授时功能支持星地时差测量技术;利用其定位功能支持近地卫星测定轨技术,解决了高动态、无高程信息下的北斗一号用户机的定位问题。并对"遥感卫星九号"获取的北斗天基测控试验数据进行了分析。结果表明,天基遥测遥控试验正常;星地时差测量精度满足星务计算机工作要求;仅利用两颗北斗一号卫星对"遥感卫星九号"的四程距离和数据确定的"遥感卫星九号"轨道,与事后精轨比较,半长轴误差约1m。

近地轨道卫星星座设计时的轨道模型

首先给出考虑Ｊ２摄动项时近地轨道卫星的轨道模型、星下点计算方法和覆盖判断准则，在此基础上给出一种近地回归轨道的迭代设计方法。在区域间断覆盖星座设计时常常选用每天运行１２、１３、１４、１５圈的近地圆回归轨道，因而最后列出了这４种回归轨道的轨道高度和倾角。

近地卫星和无限长单摆的周期

我们把靠近地面运行的人造地球卫星叫做近地卫星(grazing satellite)。对于近地卫星，可以认为其轨道半径r近似等于地球的半径R。由于卫星运动所需的向心力是由万有引力提供的。

测控中的近地轨道卫星SEL事件分析及操控

针对空间辐射环境影响下近地卫星某器件单粒子锁定(SEL)事件频发现象,在分析卫星轨道根数演变的基础上,详细讨论SEL事件时空分布特征。结果表明,SEL事件的星下点分布具有明显地域特征,其在南大西洋区域、南北两极区域、其他区域的比例接近于3∶2∶1;器件SEL事件平均发生率略高于0.134 d^(-1),太阳活动较强时的发生率不足0.103 d-1,而太阳活动较弱时则接近0.165 d^(-1);近日点附近时的发生率达到0.200 d^(-1),远日点附近时约为0.072 d^(-1)。在测控中,针对SEL事件进行遥控作业自动识别与处理,操控时长平均为130 s。

一种近地轨道卫星的自主作业管理的方法

近地轨道卫星的作业计划编制消耗大量人力、物力资源。通过近地轨道卫星自主作业管理系统可以根据星上的作业策略自动生成作业,减少了人工干预。在处理紧急任务或任务模式发生变更时,通过上注较少的信息完成对卫星程控的灵活控制。

用于引力波关键技术验证的近地低成本商业卫星设计

地面引力波探测由于受到地表振动、重力梯度等噪声以及试验尺度的限制,探测频段被限制在10Hz以上,而对于更大特征质量和尺度的波源,探测频段主要在中低频段(0.1 mHz^1 Hz)。因此,为避免地面干扰,需要在空间进行探测。由于引力波信号微弱,探测精度极高,针对空间引力波探测,国际上提出了以LISA为代表的空间引力波探测计划,国内中国科学院也提出了太极计划。然而,国内外的引力波探测卫星计划,对卫星的技术指标、设计复杂性和成本均提出了极高要求,短期之内难以实现。针对这一现实情况,本文参考LISA pathfinder的设计思路,设计一颗近地低成本商业卫星,针对引力波探测关键技术的验证需求,进行卫星任务需求分析及结构、热控、姿态控制等关键技术分析,提出商业化的低成本技术验证初步设想,希望能对空间引力波探测卫星总体设计提供一定借鉴。