本发明属于航天测量与控制领域,涉及地面测控中心对低轨道航天器加工上注轨道数据的计算方法。
背景技术:
航天器在空间飞行过程中,为完成对地观测任务,需要有自身相对于地球的位置信息;同时,航天器的太阳帆板为了最大程度地利用太阳能,必须使太阳帆板的法向指向太阳,因此需要有航天器相对于太阳的位置信息;此外,航天器为了规划未来的使命任务,也需要具备自主的轨道预报能力。
但低轨航天器精确地完成自主轨道预报比较困难。首先,航天器在轨运行过程中受复杂摄动力的作用,建立精确的模型比较困难。运行于低地球轨道的航天器受大气阻力的影响,轨道高度逐渐衰减,轨道半长轴逐渐降低,轨道偏心率减小,轨道周期变短。航天器的大气阻尼力主要受大气密度的影响,大气密度模型与太阳辐射流量、地磁指数有关,航天器在轨运行过程中很难实时获得空间环境信息。航天器还受地球非球形引力摄动的影响,升交点赤经随时间变化,在惯性空间中表现为椭圆轨道面不断旋转,其平近点角在轨道面内的相位角也不断变化,在惯性空间表现为椭圆轨道近地点的进动。建立准确的引力模型需要考虑考虑地球引力场势函数中的高阶项,计算量大,运算复杂。其次,航天器的计算资源有限,星上计算机要负责数传、星务管理、姿控、载荷数据处理等任务,受星上计算机性能的限制,分配给轨道计算的资源不足以完成高精度的建模与轨道预报任务。
因此,通常低轨航天器需要地面上注加工好的轨道信息,星上计算机采用简单的动力学模型完成轨道预报。这种方法注入轨道数据的精度较差,轨道误差很容易随时间快速发散,因此要求轨道注入的频率高,不能满足卫星长期轨道预报的需求。
技术实现要素:
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种多点多参数轨道上行数据计算方法,将地面测控中心完成的一组轨道预报结果以函数、函数初值和函数参数的形式上注给航天器,提高了航天器自主轨道预报的精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
步骤一,地面测控站接收航天器的遥外测数据,通过数据网发送给地面测控中心,地面测控中心完成数据处理后进行精密轨道确定,生成一分钟一点的弹道文件,以格式[yyyymmddhhmisecxyzvxvyvz]存储,其中,yyyy、mm、dd、mi、sec分别为协调世界时的年、月、日、时、分、秒,x、y、z、vx、vy、vz分别为航天器在该时刻j2000坐标系下三个方向轴的位置与速度;
步骤二,将步骤一生成的弹道文件转换为j2000坐标系瞬时轨道根数,每一点弹道记录对应一组瞬时轨道根数,格式为[yyyymmddhhmisecaeiωωm],其中,a、e、i、ω、ω、m分别为航天器轨道在j2000坐标系的半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角;
步骤三,把步骤二生成的j2000坐标系瞬时轨道根数转换为拟平均轨道根数,包含二阶长期变化项的平根数
生成的拟平根数存储为[yyyymmddhhmisec
步骤四,对步骤三生成的拟平根数进行处理,得到纬度幅角
步骤五,判断纬度幅角的变化趋势,若纬度幅角变化趋势为增加,则纬度幅角的值穿越2π时在后续所有纬度幅角值上加上2π,若纬度幅角趋势变化趋势为减小,则纬度幅角的值穿越0时在后续所有纬度幅角值减去2π;每穿越一次均处理穿越点后面的所有记录点;
步骤六,采用差值拟合法计算q参数及其变率
计算l=m+ω;
对n进行多项式拟合,得到n=pn(1)t+pn(2);
对n求积分,得到
将l与n的积分做差,得到
对q进行拟合,得到q=pq(1)t2+pq(2)t+pq(3),则
步骤七,分别对轨道平半长轴
本发明的有益效果是:首先对地面精密轨道平均化,然后用函数拟合的方法得到平均轨道的拟合公式,以上注轨道参数的方式使航天器得到较高精度的轨道。示例分析表明,对低轨航天器每12小时上注一次轨道参数,轨道计算误差可保持在20米以内。因此,本发明既利用了地面轨道预报精度较高的优点,又减少了上注的数据量,同时满足航天器快速计算和精度较高的需求,具有较高的实用价值。
附图说明
图1是多点多参数轨道上行数据计算方法总体框图;
图2是纬度幅角的周跳修正示意图;
图3是拟合的各项指标曲线及拟合残差示意图,其中,(a)为半长轴随时间变化曲线,(b)为半长轴线性拟合残差,(c)为近地点幅角随时间变化率曲线,(d)为近地点幅角拟合残差,(e)为近地点幅角随时间变化率曲线,(f)为近地点幅角拟合残差,(g)为平近点角拟合曲线,(h)为平近点角拟合残差,(i)为纬度幅角随时间变化曲线,(j)为纬度幅角的拟合残差,(k)为升交点赤经随时间变化曲线,(l)为升交点赤经拟合残差,(m)为平均角速度随时间变化曲线,(n)为平均角速度的拟合残差;
图4是48小时弧段拟合残差示意图,其中,(a)为48h弧段纬度幅角的拟合残差,(b)为48h弧段近地点幅角与平近点角的拟合残差;
图5是24小时弧段纬度幅角拟合残差示意图;
图6是12小时弧段纬度幅角拟合残差示意图;
图7是6小时弧段纬度幅角拟合残差示意图;
图8是6小时弧段半长轴拟合残差示意图;
图9是6小时弧段升交点赤经拟合残差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供的低轨航天器多点多参数轨道上行数据计算方法,总体流程如图1所示,包括以下步骤:
步骤一:地面测控站接收航天器的遥外测数据,通过数据网发送给地面测控中心,地面测控中心完成数据处理后进行精密轨道确定,生成一分钟一点的弹道文件,以j2000坐标系位置、速度的格式存储,格式如下:
[yyyymmddhhmisecxyzvxvyvz](1)
yyyy、mm、dd、mi、sec分别为协调世界时的年、月、日、时、分、秒,x、y、z、vx、vy、vz分别为航天器该时刻j2000坐标系的位置与速度。
步骤二:把步骤一生成的弹道文件转换为j2000坐标系瞬时轨道根数,每一点弹道记录对应一组瞬时轨道根数,格式如下:
[yyyymmddhhmisecaeiωωm](2)
a、e、i、ω、ω、m分别为航天器轨道在j2000坐标系的半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角。
步骤三:把步骤二生成的j2000坐标系瞬时轨道根数转换为拟平均轨道根数,瞬平转换的算法主要考虑地球非球形引力摄动与大气阻尼摄动,通过求解航天器轨道运动的摄动方程,把解展开为小级数的形式,舍去其中的短周期项,保留长周期项、长期项。平根数
生成的拟平根数存储为
其中各参数的含义如表1所示。
表1各参数含义
步骤四:对步骤三生成的拟平根数进行处理,得到纬度幅角
并采用纬度幅角替换平近点角,并将轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、纬度幅角转换为弧度的格式。
步骤五:纬度幅角的归一化。由于纬度幅角在0~2π之间变化,为计算纬度幅角的变率,需要将纬度幅角归一化,主要的方法是判断纬度幅角的变化趋势,若纬度幅角变化趋势为增加,则纬度幅角的值穿越2π时在后续所有纬度幅角值上加上2π,若纬度幅角趋势变化趋势为减小,则纬度幅角的值穿越0时在后续所有纬度幅角值减去2π。每穿越一次均处理穿越点后面的所有记录点,处理前后的纬度幅角如图2所示。
步骤六:采用差值拟合法计算q参数及其变率
子步骤6.1:计算l=m+ω;
子步骤6.2:对n进行多项式拟合,得到n=pn(1)t+pn(2);
子步骤6.3:对n求积分,得到
子步骤6.4:将l与n的积分做差,得到
子步骤6.5:对q进行拟合,得到q=pq(1)t2+pq(2)t+pq(3),则q的导数为
步骤七:采用下表的方法得到航天器轨道上行数据的各参数变率。
表2各参数变率的处理方法
本发明以采用某超低轨道航天器的上行轨道数据加工为例,进行计算验证。
接收航天器下传的星载gps数据,进行精密定轨。精密定轨的动力学模型中重力场模型采用32阶jgm-3地球重力场模型,大气模型采用msis-90,地影模型采用锥形地影,并考虑日月等第三体摄动,采取如下的初始轨道:
表3初始轨道
在精密定轨软件中生成时长为两天的轨道,并转换为平根数,画出平根数随时间的变化曲线,如图2所示,横坐标单位时间为30分钟,角度单位为rad,半长轴单位为m。对要求提供变化率的平根数进行拟合,其中,半长轴、平均角速度采用一次多项式函数拟合,升交点赤经、近地点幅角采用二次多项式函数拟合,纬度幅角采用归一化差值拟合算法。程序采用matlab-m语言,运算环境为matlab7.0。
通过以上数据的拟合与分析,得到如下的拟合公式:
选择弹道第一点为平根数注入需求点,相应的参数变率输出结果为
表4加工的轨道上行数据中的参数变率
由图2可知,在两天的时间长度内,近地点幅角拟合残差最大值为1.1×10-3rad,平近点角的拟合残差最大值也近似为1.1×10-3rad,两者相差正负号,曲线关于y=0近似对称,因此两者的拟合残差绝大部分相互抵消,纬度幅角的拟合残差最大值为5.323×10-5rad。因此采用二阶多项式的方法对纬度幅角进行推算,其位置误差最大为355m,主要是沿迹向。升交点赤经拟合的最大残差为2.5×10-6rad,引起的位置误差最大为16.6米,主要是法向。半长轴拟合的最大残差为17米,主要是径向。
总体而言,采用二次多项式对卫星进行拟合所引起的位置误差为:径向20米以内,法向20米以内,沿迹向400m以内。最大误差发生的时刻大致在轨道参数注入的48小时,若每24小时注入一次轨道根数,其拟合残差曲线如图5所示,由于参与拟合的弧段变短,纬度幅角的拟合残差最大值为10-5rad,可将星上拟合的沿迹向误差降低至48弧段误差的五分之一,约66.6m,若每12小时注入一次轨道根数,其拟合残差曲线如图5所示,可将纬度幅角拟合误差降低至3×10-6rad以内,即星上拟合的沿迹向误差将保持在20m以内。若每6小时注入一次轨道根数,其拟合残差曲线如图6所示,可将纬度幅角拟合误差降低至2×10-6rad,星上拟合的沿迹向误差将保持在13.3m以内,半长轴拟合误差如图7所示,径向误差将保持在4米以内,升交点赤经拟合误差如图9所示,法向误差将保持在6米以内。
可以看出采用本方法加工的轨道上行数据48小时内预报偏差小于400米,具有预报精度高,计算快捷,注入参数简单等优点,适合用于航天器中等精度的自主轨道预报。