X射线脉冲星导航系统的闭环校正滤波器设计

X射线脉冲星导航(XNAV)系统对脉冲到达时间或相位的在轨测量存在星载钟计时误差问题. 本文提出将钟差与卫星三维位置参数一起作未知量处理, 采用4颗以上脉冲星的观测信息解算出卫星位置; 将该位置信息与轨道动力学预报的位置信息的差值作为量测信息, 结合卫星轨道动力学模型, 设计闭环校正卡尔曼滤波器. 仿真表明, 设计的闭环校正滤波器能够对卫星轨道状态进行最优估计, 解决了XNAV系统中的钟差问题.     

星载GPS非差运动学定轨中的观测数据加权策略研究

星载GPS非差运动学定轨结果容易受到观测数据质量的影响,相位观测噪声远远小于伪码,如果将两种观测数据等权处理,会降低相位信息在参数解算中的作用;相位观测存在模糊,单独使用会导致参数估计结构不稳定;伪码观测噪声与接收天线高度角存在很强的相关性。本文根据星载GPS伪码和相位联合非差运动学定轨原理,结合GPS观测数据质量分析结果,提出了一种合理的加权策略,提高了星载GPS非差运动学定轨的精度和稳定性。对一个星期的CHAMP的观测数据进行处理,将非差运动学定轨结果与GFZ事后科学轨道进行对比,结果表明二者在R、T、N分量上差值的均方根为20cm、12cm、13cm,三维点位误差的均方根为27cm。通过分析多种不同加权策略的定轨精度差异,验证了本文提出的加权策略的有效性。     

一种自适应变步长RKF方法及其在卫星轨道预报中的应用

为提高常规的变步长RKF方法的运算效率,提出了一种基于范数控制的自适应变步长RKF法。该方法给出局部截断误差范数值、误差限与步长的定量函数关系,根据这种函数关系自动调整步长,并对局部误差范数值为0或极小值的情况进行了讨论。卫星轨道动力学系统的描述可以归结为一阶向量常微分方程初值问题的求解,将自适应变步长RKF方法应用在该问题上,实现了考虑地球非球形和日月等三体摄动下的卫星轨道积分。仿真结果表明,该算法能满足高精度的轨道预报要求,提高了计算速度,在轨道预报中具有很好的使用价值。     

基于相对轨道根数计算的测绘卫星单点定位研究

传统测绘卫星定位方法无法获取轨道全面信息,且传统方法忽略了多个测绘卫星并行航行情况,导致出现定位误差的问题。因此,提出一种基于相对轨道根数计算的测绘卫星单点定位方法。采用基于J2摄动模型的卫星轨道根数预测方法,预测卫星所在的轨道六根数,以此掌握卫星所在轨道信息;在此基础之上,通过基于相对轨道根数的卫星单点位置预测方法,预测卫星单点位置与卫星的运行速度,实现测绘卫星单点定位。实验结果验证：所提方法在多个测站位置的N、S、E三个方向的平均定位误差最大值为0.05 m。且所提方法预测近地卫星、中高度卫星、地球同步卫星所在轨道根数时,预测误差均方值均低于0.04;定位三种测绘卫星时,定位误差均方值最大值为0.02。数据表明所提方法可准确预测卫星位置信息,可作为测绘卫星定位的有效工具。     

基于Hermite的SAR卫星轨道插值干涉测量应用研究

合成孔径雷达(Synthetic aperture radar, SAR)卫星轨道参数是干涉测量技术中影像配准、基线估算、平地相位去除等环节的重要参数,但部分SAR卫星轨道参数采样间隔较大,导致干涉测量过程中产生残余相位,发生较大的系统误差;利用MTALAB编程工具,对卫星原始轨道状态矢量进行了埃尔米特插值法拟合,等距插值计算后,发现可以缩小轨道参数采样间隔,提高干涉测量精度;以覆盖巴姆地区的Envisat卫星为例,分别获取了基于粗轨、埃尔米特插值轨道参数和代尔夫特精密轨道参数得到的干涉测量图,定性判断出埃尔米特插值法可有效提高SAR卫星轨道精度;再以覆盖陕西地区的AOLS卫星为例,插值轨道矢量采样间隔分别为10秒、5秒、2秒,发现间隔为5秒时相干性最优;结果表明：采用埃尔米特插值法可有效增加SAR卫星轨道状态矢量数量,消除系统误差,提高干涉测量精度。     

粒子滤波在卫星轨道确定中的应用

卫星轨道确定问题中可能存在初始估计信息误差较大、状态及测量误差分布不是高斯分布等问题,为了寻求一个能采用解决这两种问题的方法,本文采用了“采样-重要性-重采样”SIR(Sampling Importance Resampling)粒子滤波算法作为滤波方法,以地磁场矢量为测量量,对低地球轨道卫星的轨道数据进行自主的估计.为了避免该滤波算法中的采样贫乏的问题,采用了一个崎岖化方法来克服采样贫乏问题.最后给出了此方法应用到了卫星轨道确定问题中的数字仿真实例.     

GPS卫星跟踪数据的建模与仿真研究

根据卫星动力理论,建立了GPS卫星和低轨卫星的运动模型,再根据GPS定轨定位理论,建立了GPS跟踪数据的观测模型.最后在上述模型的基础上,提出了利用IGS数据产品进行低轨卫星以及地面观测站的GPS跟踪数据仿真的方法,并编制了相应的仿真程序.仿真结果表明文中的仿真方法能达到较高的精度,这对于论证搭载GPS的低轨卫星的定轨方案,评价其精密定轨算法,测试GPS数据处理软件,以及验证和比较GPS数据处理算法都具有较高的应用价值.     

Three‐Axis Global Magnetic Attitude Control of Earth‐Pointing Satellites in Circular Orbit

This paper addresses the controllability and global stability issues of a magnetically actuated satellite in the geomagnetic field. The variation of the geomagnetic field along the orbit, which is time varying in nature, makes the dynamics of the satellite time varying also. Sufficient conditions for controllability of such a time varying magnetic attitude control system are given. As a major contribution, it is proven that the three‐axis controllability of the spacecraft actuated by the magnetic actuators is possible and it does not depend on the initial angular velocity of the spacecraft. Global controllability is a precursor to global stability. Therefore, exponential stability for an arbitrarily high initial angular velocity and an arbitrary initial orientation is proven next for a proportional‐derivative control law using averaging theory. It is also proven that even an iso‐inertial satellite can be stabilized using the time invariant feedback control, which was hitherto not possible, even using time variant conventional control. Simulation results are presented under different initial orientations and angular velocities of the satellite in the presence of favorable and unfavorable gravity gradient torques to validate the proposed control method.     

组合大视场星敏感器卫星自主定轨中太阳摄动

目前,国际上卫星自主轨道确定已受到了极大的关注,卫星定轨向高精度、高自主性方向发展.自主定轨方法多种多样,获取定轨信息的方法与自主定轨测量设备紧密联系在一起.就组合大视场星敏感器卫星自主定轨方法,建立了太阳引力摄动下的广义卡尔曼滤波模型,且进行了计算机仿真;通过对不同初始轨道高度情况的计算机仿真,给出了太阳引力对卫星轨道的影响;通过对东方红三号(DFH-3)卫星进行仿真和结果对比,说明了该自主定轨方法、所建滤波模型和算法的有效性.     

考虑非线性项的卫星编队保持

针对低轨道运行的编队卫星在非线性项作用下,伴随卫星运行的相对运动轨道发生偏移的情况,传统的李亚普诺夫方法能较好地控制轨道的初始偏移,使系统达到李亚普诺夫大范围一致稳定,但长期项误差震荡较大.本文提出了一种多回路结构的卫星轨道保持的控制方法,内回路选取使系统满足李亚普诺夫大范围一致稳定的控制律,外回路选取LQR线性状态调节器.此内外回路调节器能更好地抑制环绕卫星相对于基准轨道的误差漂移,更好地稳定编队队形.最后,数值仿真结果验证了此方法比传统的李亚普诺夫方法具有使编队更稳定的效果.     

基于GA-BP神经网络的BDS轨道误差模型研究

在对导航卫星轨道误差数据进行研究时发现,卫星广播星历轨道误差客观存在着一些不确定性的规律现象,针对这一无法用现有确定性模型表示的误差信息,建立了基于遗传算法优化BP神经网络的轨道误差预测模型。利用遗传算法来全局寻优BP神经网络的初始权值与阈值,同时根据广播星历解算出的卫星位置和速度,结合参考时刻及摄动改正项对神经网络进行训练和测试。试验结果表明,上述模型能较好的预测轨道误差,应用该模型进行卫星轨道解算时能有效提高轨道精度,降低轨道误差。     

UKF based in‐flight calibration of magnetometers and rate gyros for pico satellite attitude determination

In this paper an unscented Kalman filter based procedure for the bias estimation of both the magnetometers and the gyros carried onboard a pico satellite, is proposed. At the initial phase, biases of three orthogonally located magnetometers are estimated as well as the attitude and attitude rates of the satellite. During the initial period after the orbit injection, gyro measurements are accepted as bias free since the precise gyros are working accurately and the accumulated gyro biases are negligible. At the second phase estimated constant magnetometer bias components are taken into account and the algorithm is run for the estimation of the gyro biases that are cumulatively increased by time. As a result, six different bias terms for two different sensors are obtained in two stages, where attitude and attitude rates are estimated regularly. For both estimation phases of the procedure an unscented Kalman filter is used as the estimation algorithm. Copyright © 2011 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society     

An improved atmospheric correction method in repeat-pass InSAR measurements

ABSTRACT

As is well known, the problem of atmospheric phase delays is currently one of the major limitations to high precision repeat-pass interferometric synthetic aperture radar (InSAR) applications. Therefore, accurately mitigating atmospheric phase delays is a key but unresolved problem. In recent decades, many researchers have attempted to mitigate the atmospheric phase delays. A typical method is to calculate the atmospheric phase along radar line of sight direction using precipitable water vapour products. However, this method completely neglects the atmospheric turbulence and heterogeneity in the horizontal direction when the zenith wet delays are converted to slant wet delays, reducing the accuracy of the approach. In this article, we systematically analysed the atmospheric turbulence and heterogeneity in the horizontal direction as well as the vertical stratification of water vapour in the troposphere. From this analysis, we found that the atmospheric turbulence and heterogeneity in the horizontal direction cannot be neglected in estimating atmospheric phase delays. Moreover, the vertical stratification of water vapour and the satellite orbit azimuth can be integrated into the calculation of slant phase delays. We therefore propose an improved atmospheric correction method in repeat-pass InSAR measurements, weighted-sampling radiometer correction. The proposed method was applied to the investigation of ground subsidence in an area of Beijing, China to validate its feasibility and accuracy. The results illustrate that atmospheric phase delays and ground subsidence information can be retrieved more accurately using the proposed method than was obtained using the conventional method.     

Post-launch analysis,calibration, and validation of CCD line of sight for a space-borne push-broom electro-optical sensor using a global image data set

This article describes a technique which estimates line-of-sight (LOS) parameters of each CCD array in a high-resolution electro-optical sensor on board a satellite using statistical information which is extracted automatically from a large number of real images acquired after launch. First, the focal length of panchromatic (PAN) CCD arrays is estimated by using thousands of ground control points (GCPs) converted to raw image space. Second, a model is introduced for deriving LOS parameters for multispectral (MS) CCD arrays in one focal plane assembly (FPA) such as the focal lengths and the first/last detector cell positions from automatically matched band-to-band (B2B) tie-points. Finally, the LOS parameters of all arrays in one FPA are updated using automatically matched tie-points in the overlap zone (OZ) in order to represent the geometrical relationship between the CCD arrays with the same spectral band in two FPAs. The proposed technique was applied to the calibration of a ground segment image processor for a currently operating high-resolution imaging satellite during its initial commissioning phase. This article describes the accuracy and robustness of the LOS parameters estimated by the proposed technique by using more than one hundred images covering full geographical locations and off-nadir tilt angle ranges.     

基于星间链路技术的GEO卫星定轨精度分析

地球静止轨道(GEO)卫星具有对地静止的特性,GEO 卫星应用日益增多,在高分辨率对地观测、气象、通信等领域都发挥着越来越重要的作用,对其轨道确定的需求也越来越高,研究GEO卫星的高精度定轨技术迫在眉睫。传统方法中利用地面站对GEO卫星实现实时自主定轨存在系统误差大、观测几何差等问题,导致星地测量的误差在定轨过程中被放大的倍数急剧增加,影响了GEO卫星定轨精度的提高。利用GPS卫星实现对GEO卫星的定轨时存在可见GPS卫星数量少,接收到的信号微弱,测量精度不够的问题。星间链路具有对GEO卫星观测几何好、测量精度高的优点,为GEO卫星定轨开辟了新思路。针对在星间链路资源有限情况下如何选择MEO卫星组合与GEO卫星进行建链的问题,以星间链路构型的PDOP值为优化指标,对MEO卫星对PDOP值的影响进行了分析,提出了遍历选星、直接选星、迭代选星三种链路资源配置策略,确定与GEO卫星进行建链观测的MEO卫星组合,并用仿真方法对三种算法进行验证,结果表明,提出的迭代选星的链路资源配置策略,能将GEO卫星的定轨精度维持在7~40m以内,同时将星间链路的使用效率提高5~120倍。     

太阳同步卫星降交点地方时漂移控制策略的研究

为将太阳同步卫星降交点地方时控制在允许的范围内,对其漂移因素进行分析,确定了卫星轨道设计和入轨偏差所导致的降交点地方时初始漂移速度,而大气阻力和太阳引力摄动则使得降交点地方时产生漂移加速度.针对产生漂移的原因,提出通过轨道偏置设计、轨道高度和轨道倾角保持控制等方法,将漂移限制在允许的范围内.仿真实验结果表明了所进行的分析和所提出的控制策略的正确性.     

基于NOW的运行时增量式集中式调度（NRICS）及其实现

提出并实现了一种基于NOW的运行时增量式集中式调度（runtime incremental conccentrated scheduling on NOW,NRICS）方法,该方法具有以下特点：运行时调度、增量式调度、集中式调度、结点间并行式负载交互。NRICS中,在一个阶段中由于对各任务的粒度和各结点执行能力估计不足所造成的负载失衡将在下一个阶段中得到改进和纠正,从而使各结点的负载不断趋于平衡。该方法具有良好的可伸缩性,文末给出了部分实验结果。     

Bonhoeffer-van der Pol方程的混沌控制

基于延时反馈混沌控制方法和相空间压缩法,提出了一种改进的延时控制方法,即：将空间压缩作为系统状态变量的一种约束施加到延时反馈混沌控制中．以Bonhoeffer-van der Pol系统为例,数值验证了此改进方法的有效性．结果表明：对于具有单个吸引子的混沌系统,此方法可以将混沌系统很快控制到一个期望的周期轨道上,与原始的延时反馈方法相比减少了恢复时间．对于具有多个混沌吸引子的系统,通过增加适当的相空间限制器,可以快捷地将系统稳定在嵌入于不同混沌吸引子中的期望周期轨道上．     

LEO、MEO卫星网络星间链路图两种新表示方法的提出与实现

国内外现有的LEO、MEO卫星网络星问链路图都以纯图形的表示方法给出，在卫星网络系统路由选择、系统性能分析及管理的研究中发现，图形化的表示方法难以满足分析问题的需要，尤其是当卫星数量增加和多高度卫星星座联合组网时，图形杂乱难以辨认．针对上述问题提出用抽象的图表示卫星星间链路的思想；提出了星间链路图抽象表示的原则；提出了卫星星问链路图两种新的表示方法。其一是基于极点扩张的星问链路图表示方法，其二是基于卫星轨道特征的星间链路图表示方法，并用C＋＋设计了实现这两种表示方法的软件．软件运行结果表明，卫星星问链路图两种新的表示方法切实可行、具有应用价值．     

基于天文/GPS的HEO卫星自主导航方法

为了实现大椭圆轨道(HEO)卫星高精度自主导航,提出一种将直接敏感地平天文导航与全球定位系统(GPS)相结合的组合导航方法.首先,分析卫星轨道??2运动模型及其所受空间摄动,建立卫星轨道动力学模型;然后,分析单一使用天文导航和GPS的优缺点,根据HEO卫星对GPS的可见性,提出在远地点只采用天文导航,而在近地点采用以天文导航为主、适时引入GPS信号进行位速测量辅助修正的方法.通过计算机仿真和结果分析表明了所提出的设计方法导航精度比单一天文导航提高72.4%～85.6%.