University of Colorado Boulder

Fundamentals of Orbit Determination

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University of Colorado Boulder

Fundamentals of Orbit Determination

Jay W. McMahon

Instructeur : Jay W. McMahon

Inclus avec Coursera Plus

Obtenez un aperçu d'un sujet et apprenez les principes fondamentaux.
niveau Intermédiaire

Expérience recommandée

4 semaines à compléter
à 10 heures par semaine
Planning flexible
Apprenez à votre propre rythme
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Ce que vous apprendrez

  • Develop fundamental dynamics models for two-body and perturbed orbital motion and derive the associated partial derivatives.

  • Develop fundamental measurement models for radiometric, optical, and other common tracking observables and derive the associated partial derivatives.

  • Implement uncertainty propagation and mapping, including the use of the state transition matrix and process noise.

  • Augment the filter state with estimated parameters and apply dynamic model compensation (DMC) to capture residual un-modeled accelerations.

Compétences que vous acquerrez

  • Catégorie : Mathematical Modeling
  • Catégorie : Estimation
  • Catégorie : Statistical Methods
  • Catégorie : Numerical Analysis
  • Catégorie : Mechanics
  • Catégorie : Physics
  • Catégorie : Calculus
  • Catégorie : Probability Distribution
  • Catégorie : Applied Mathematics
  • Catégorie : Differential Equations
  • Catégorie : Linear Algebra
  • Catégorie : Simulations
  • Catégorie : Global Positioning Systems

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juin 2026

Évaluations

7 devoirs

Enseigné en Anglais

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Il y a 5 modules dans ce cours

This module develops the differential equations that govern spacecraft motion and the partial derivatives that drive the state transition matrix. Starting with the two-body Keplerian problem and then adding the perturbations that real missions must account for, such as the spherical-harmonic gravity field, atmospheric drag, solar radiation pressure, and third-body gravity. With the dynamics in hand, the linearization process about a reference trajectory is covered, including the state transition matrix and its augmented-integration computation. This relies on deriving the partial derivatives of the dynamics, the process of which is reviewed and applied to the orbital dynamics of interest in this course.

Inclus

7 vidéos1 lecture3 devoirs1 devoir de programmation

This module develops the mathematical models for the observations that orbit determination filters consume. The ideal range and range-rate equations are dervied, and the real-world complications are discussed, including: light-time correction, coordinate-frame transformations (ECI ↔ ECEF, J2000/ICRF), and the various time scales (TAI, UT1, UTC, TT, TDB) needed to keep the geometry self-consistent. The measurement Jacobians for range and range-rate are derived and when the partials with respect to station coordinates, rotation parameters, or measurement biases must be included is discussed. It closes with a survey of other observable types used in practice such as: optical navigation (center-finding and landmark-based), GPS, inter-satellite ranging, radar, LIDAR/altimetry with crossovers and DDOR.

Inclus

5 vidéos2 devoirs1 devoir de programmation

In this module the orbit determination problem becomes statistical. The Gaussian probability density function is introduced as the standard representation of state uncertainty in this course, and the method for transforming a Gaussian under linear maps is developed. The spacecraft state covariance is propagated through the dynamics using the state transition matrix. State noise compensation (SNC) is introduced, which adds a process-noise term to the covariance equation to absorb un-modeled accelerations. SNC tuning is discussed for use in real application.

Inclus

4 vidéos1 devoir1 devoir de programmation

This module extends the filter beyond just position and velocity. The parameters that real missions need to estimate alongside the state, such as drag and SRP scale factors, station coordinates, range and range-rate biases, and gravitational parameters are discussed. The augmented state vector is developed along with the corresponding partials. This framework is used to incorporate dynamic model compensation (DMC) as a first-order Gauss-Markov stochastic acceleration that captures whatever un-modeled forces show up, without committing to a specific physical mechanism. The corresponding covariance contribution is derived and compared against SNC as two complementary approaches to imperfect dynamics models.

Inclus

3 vidéos1 devoir1 devoir de programmation

The culminating assessment synthesizes the course material into an end-to-end orbit-determination exercise. You will build a Monte Carlo analysis that varies force-model fidelity, measurement geometry, process-noise levels, and SNC settings on a representative tracking scenario, then assess each modeling choice in terms of state perturbations, residual statistics, covariance consistency, and computational cost. This assessment sets up the path forward that connects this course's modeling foundation to the estimation algorithms covered in the follow-on courses of the specialization.

Inclus

2 vidéos1 devoir de programmation

Instructeur

Jay W. McMahon
University of Colorado Boulder
1 Cours38 apprenants

Offert par

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