基于星载GNSS数据的低轨卫星精密定轨

本文介绍了基于星载GNSS观测数据的低轨卫星精密定轨和轨道精度评估方法,并基于GRACE卫星的实测数据开展定轨试验。分析结果表明,基于星载GNSS的动力学定轨可获取厘米级的卫星轨道,为未来低轨星座的精密轨道确定提供参考。     

地面基准站网与星载GNSS融合的高中低轨卫星联合精密定轨

下一代导航系统拟纳入低轨卫星（LEO）作为增强和备份。研究了地面基准站网与星载GNSS融合的高中低轨卫星联合精密定轨（POD）理论与方法，基于实测国际地面站（IGS）和低轨卫星星载GNSS数据，通过建立高精度动力学模型和观测模型，根据全球测站和区域测站两种情况进行了导航星与低轨星的联合精密定轨试验。结果表明，联合定轨可同时获得导航星和低轨星厘米级的定轨精度。低轨星作为高动态天基测站，对导航星定轨精度的提升程度可达20%~90%。     

基于扩展Kalman滤波算法实现定轨

在只考虑重力场作用和大气阻力作用的情况下,建立卫星简化动力学模型。研究基于扩展Kalman滤波的星载GPS定轨,根据GPS观测数据结合简化动力学对卫星状态进行最优估计。在J2000坐标系下,使用STK软件模拟的轨道数据进行定轨仿真。结果表明,该算法能够大幅度提高定轨位置和速度的精度。     

星载GPS定轨中精密GPS卫星钟差的改正和应用

低轨道卫星星载GPS精密定轨的最主要的误差源是在SA影响下GPS卫星钟的高频抖动。为了克服这一误差,本文分析了在SA影响下GPS卫星钟差变化的特性,探讨了利用GPS地面跟踪站的观测数据估算GPS卫星钟的可行性,建立了相应的算法和软件系统,并把由地面跟踪站的实测数据估算的GPS卫星钟差应用于星载GPS定轨计算,得到1m的定轨精度。     

星载GPS低轨卫星几何法定轨坐标转换问题

详细论述了星载低轨卫星几何法定轨中所涉及的各种坐标转换问题，诸如WGS－84与J2000．0坐标及ITRF坐标的转换，由轨道位置求其轨道根数，以及轨道径向，切向和法向分量，并给出了具体的转换模式和转换参数。     

面向高轨航天器的北斗导航特性分析

利用卫星导航信号实现高轨航天器的自主定轨与导航已成为当前国内外的研究热点,高轨星载导航接收机面临可见卫星数少、接收导航信号微弱、动态性较大等问题。针对以上问题,分析了高轨环境下星载导航接收机获取到的信号功率、可见星数、DOP值及多普勒频移状态。首先建立了北斗星座模型与高轨航天器动力学模型,构建星间测距链路,对高轨卫星的可见性进行了仿真分析,结果表明当星载接收机功率为-177 dBw时,可见星数能达到4颗以上,能满足定轨需求;然后对高轨卫星的定轨精度进行了仿真,DOP值的均值为15.657 8;最后对导航卫星和高轨卫星之间的多普勒频移进行了分析,仿真的多普勒范围为±14kHz。相关研究结果可支撑高轨航天器星载接收机的开发。     

基于星间测距的卫星自主定轨研究与仿真

提出了一种利用星间距离信息和扩展卡尔曼滤波算法确定卫星的位置和速度的方法。利用STK软件建立GPS星座,将1颗目标卫星与3颗参考卫星之间的距离引入一定的误差作为星间观测值,利用扩展卡尔曼滤波算法实现卫星的自主定轨。并对算法进行了改进,利用几何准确度因子GDOP值控制参考卫星的选择,消除了误差峰值。运算结果表明改进后的算法有很好的收敛性,提高了定轨准确度。     

卫星入轨段多源测轨数据融合定轨的加权方法

针对卫星发射入轨段遥外测多种不等精度、不同类型的测轨数据放在一起定轨时的合理加权问题,采用基于微分轨道改进基本原理,推导得到适用于不同类测轨数据联合定轨的动力学条件方程,提出了依据不同测量数据均方差确定该测量元素对应的动力学条件方程权重的方法。仿真验算和实战数据检验表明,该方法充分发挥了分布于各种测轨数据中的高精度测元的作用,融合后的定轨精度得到显著提高。     

星载GPS接收机的可见星预测方法

GPS接收机在低轨卫星上有广泛的应用。事先预测可见GPS卫星有助于接收机快速捕获。地面接收机直接取仰角大于的GPS卫星为可见卫星,这一判决方法不适用于星载GPS接收机。根据GPS卫星天线覆盖范围,提出了一种对轨道高度分段讨论的基于仰角的可见卫星判决方法。通过MATLAB和STK仿真得到这一方法的平均预测正确率和召回率都大于93%。因此,这种方法适用于不同低轨轨道高度、不同航天任务的星载GPS接收机。     

低轨卫星定位的导航卫星可见性与GDOP分析

针对全球卫星导航系统对低轨卫星定位的动态观测几何问题,对于不同低轨卫星轨道高度、不同截止高度角和不同卫星导航系统的情形,进行了导航卫星可见性分析,并在此基础上分析了几何精度因子（GDOP）。低轨卫星高度在几百km内变化时对可见性与几何精度因子的影响很小,而不同截止高度角则影响较大;另外与采用单个GPS系统相比,采用GPS—Galileo组合卫星导航系统对低轨卫星定位时,可见导航卫星数目明显增加,GDOP数值减小,且即使在截止高度角较大时也能得到较好的GDOP。     

GPS-BASED LEO SATELLITE POSITION AND ATTITUDE DETERMINATION AUGMENTED BY PSEUDOLITES ON EARTH

GPS-based navigation and attitude determination of LEO satellites is presently considered as an alternative to the conventional systems which utilize earth sensors and magnetometers. The onboard GPS receiver determines the orbit position of the LEO satellite by the conventional system of linearized navigation equations, requiring the simultaneous reception of ranging signals from four GPS satellites by a single antenna. For attitude determination, pairs of antennae, suitably mounted on the satellite and feeding a common receiver, form several interferometric baselines. The baselines vectors, defined in a given coordinate system, determine the attitude of the satellite. For each baseline and each GPS satellite, the difference in phase of the received signal carriers is measured. The differencing operation eliminates the receiver clock bias. Solutions for the baseline vectors can be obtained with signals received from only three GPS satellites. If the coverage of a receive antenna is restricted to less than the hemisphere it will not have four GPS satellites in view all the time. It is demonstrated that a GPS pseudolite transmitter located on earth supplements the system, which then provides a usable geometric dilution of precision (GDOP) for position determination and an improved position dilution of precision (PDOP) for attitude determination. Pseudolites can be co-located with the gateways which provide access to the public switched telephone networks (PSTNs) for the LEO communication satellites.     

基于双星定位系统的近地卫星联合定轨建模及精度分析

通过对基于双星定位系统的近地卫星联合定轨测量模式的分析,建立了基于距离和观测数据的联合定轨模型,构建了一种有效的系统误差参数估计方法,设计了一种基于数值融合法的联合定轨算法.仿真计算结果表明,联合定轨方式可以较好地抑制静地卫星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,两天观测数据下近地卫星定轨精度可以达到11.26米,验证了本文所提出的系统误差估计方法及数值融合实现算法的有效性.     

小尺度空间碎片天基激光清除过程研究

选取LEO区域中典型材料的小尺度空间碎片,建立了相应的靶材模型,研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析,对高能脉冲激光作用下典型空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟。研究结果表明,设定的天基平台激光站能在一个飞行周期内辐照典型材料碎片达到降轨清除的目的,为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。     

天基激光清除小尺度空间碎片变轨模型研究

通过选取LEO区域中两种典型材料的小尺度空间碎片,分别建立了相应的强激光与靶材的冲量耦合模型,研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析,对假定功率激光器作用下两种典型材料空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟,并讨论分析了碎片自旋角速率及不同功率的激光器对碎片清理效能的影响规律。研究结果表明,在假定功率的天基平台激光器作用下能在一个飞行周期内辐照两种典型材料碎片达到降轨清除效果,为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。     

低轨近圆轨道根数变化特征的一种分析方法

低轨近圆轨道卫星运行周期短，所受摄动力影响大，轨道变化复杂，但在短期内轨道根数的主要变化特性比较简单，主要分为多项式和周期项两部分，这样就可以建立简单的数学模型，进行轨道拟合和预报，从而避免了复杂的摄动模型的求解。研究工作针对某一实际型号的轨道数据，对该卫星轨道第一类无奇点根数进行频谱分析，数学模型的建立，用最小二乘法对数学模型中的参数进行求解。计算结果表明，对低轨近圆轨道根数变化特征的分析正确，轨道根数数学模型简单，拟合结果较好，支持短时间预报，该方法可用于星载 GPS 定位结果的平滑和预报。     

基于遗传算法的低轨天基雷达星座设计

从目标监视性能的角度出发,分析了低轨天基雷达星座的卫星总数、能量需求以及星座发射费用等优化目标。综合考虑了Walker星座的碰撞等约束问题,建立了低轨天基雷达星座设计的优化目标。提出了一种基于遗传算法的低轨天基雷达星座设计方法。根据天基雷达星座的特点,该算法在进化过程中使用了非可行解修正和约束分级等约束处理方法,有效提高了算法的运算效率。通过仿真实验验证了该方法能够有效的同时优化低轨天基雷达星座的构形和卫星参数。     

一种单星对同步轨道卫星的仅测角定位跟踪算法

针对中低轨卫星对同步轨道卫星定位时存在的可观测时间短等限制,结合同步轨道卫星轨道的特点,利用测角信息计算出距离信息。将距离信息与测角信息一起建立新的测量方程,进而提出一种新的基于J2000.0惯性系的单颗中低轨卫星对同步轨道卫星的扩展卡尔曼仅测角被动跟踪定轨方法,并对测量方程的变量和坐标转换给出了明确定义。仿真结果表明,该算法实现了单颗中低轨卫星对同步轨道卫星的仅测角被动跟踪定轨,若已获得被测星的先验知识,该算法收敛时间优于未引入距离信息的常规算法。     

未来低轨信息网络发展与架构展望

近年来,伴随着运载、卫星、通信、网络、智能等技术的发展,天基网络形态正在发生质的变化。低轨(LEO)星座网络已经成为众多应用场景、业务承载需求的新选项,有向着全球覆盖、天地一体、多业务承载、持续演进、安全可控的天基通用信息网络基础设施发展的趋势,而这样的愿景对未来低轨星座网络架构提出了更高的要求。该文首先从空间网络、先进卫星以及天地网络融合3方面技术领域对近年来低轨星座网络相关技术的发展现状进行了概述,并对低轨星座网络发展的愿景与趋势进行了分析研判。在此基础上,该文提出基于软件定义(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的全云化卫星-5G融合网络架构,使网络具备架构可编程、网络功能抽象解耦以及去中心化的核心优势,辅以意图驱动网络等智能网络运行管理方法,实现网络的多业务承载、持续演进、自动化管理等能力。最后,该文对需重点关注的技术方向进行了展望。     

Interference considerations in frequency sharing between low earth orbit satellites and the geostationary fixed satellite and terrestrial service

Recently many companies and consortia have considered launching LEO satellites for such projects as remote sensing, transportation and mining operations. When the multiple low Earth orbit (LEO) satellites are transmitting they can interfere with existing terrestrial microwave and satellite earth-stations in the fixed and mobile service. The interference problem is related to the number of proposed LEOs and the altitude and consequently the time to orbit the earth. These systems usually consist of many small satellites, and each satellite stays in the beam of a terrestrial station for up to 72 seconds in each 222 minute orbit. Earth coverage could be obtained by 48 (LEO) satellites 1500 km above the earth in polar orbit, and hence at least one LEO would always be interfering with terrestrial networks. A technical evaluation would then be required to determine the resultant BER (bit error rate) effecting existing terrestrial services. A determination can then be made to support such a LEO system or object via official channels such as the ITU.