CN107132155A - 基于实测大气密度的短时大气模型修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于实测大气密度的短时大气模型修正方法，选定大气密度模型，采集计算设定时长的实测大气密度，分别对大气模型密度值和实测密度值进行线性拟合，得到实测大气密度拟合曲线和模型密度拟合曲线，计算实测大气密度拟合曲线和模型密度拟合曲线的夹角，然后对模型密度拟合曲线逐点进行旋转，得到旋转后的时间值t′和旋转后的选定大气模型密度值。本发明将实测大气密度值引入轨道计算，较好的提高了航天器轨道预报精度。

Description

基于实测大气密度的短时大气模型修正方法

技术领域

本发明属于航天测量与控制领域，涉及一种大气模型修正方法。

背景技术

近地轨道航天器运动受大气阻力摄动影响非常明显，大气阻力摄动的决定性因素就是大气密度值，大气密度的不均匀性导致了航天器在不同飞行高度受到不同的大气阻力。目前用作轨道计算的大气密度值都是通过模型计算得到，常用的大气模型有DTM、JACHIA、MSIS等系列。通常意义上，大气密度计算结果误差一般在10％到20％，在太阳活动活跃期和地磁暴期间，大气密度计算误差甚至会增加到一倍或更大，这严重影响了在轨运行航天器的轨道计算精度。通常，航天器上装载有大气密度探测器，探测器主要部件包括：取样室、输出电路、感测区等，这样就可以测得取样室内的温度和压力，进而计算出轨道空间的大气密度，经测量计算有助于对大气密度变化规律的直接把握。目前的大气密度探测结果主要用于研究空间大气成分或者环境演化分析，将探测结果用于航天器轨道计算及对现有大气模型进行修正的方法并不多。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于实测大气密度的短时大气模型修正方法，减少理论大气密度模型计算带来的误差，提高短时低轨道航天器的预报精度(太阳活动和地磁活动均处于平静期)。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)选定大气密度模型，采集计算设定时长的实测大气密度，分别对大气模型密度值和实测密度值进行线性拟合，令得到实测大气密度拟合曲线和模型密度拟合曲线，其中，ρ_{mod_fit}为模型密度线性拟合值，ρ_{real_fit}为实测大气密度线性拟合值，a₁和b₁是MSIS2000大气模型线性拟合的常数项和一次项系数，a₂和b₂是实测大气密度线性拟合的常数项和一次项系数，t为时间；

(2)计算实测大气密度拟合曲线和模型密度拟合曲线的夹角然后对模型密度拟合曲线逐点进行旋转，得到旋转后的时间值t′和旋转后的选定大气模型密度值其中，ρ_mod为选定大气模型密度值，M(θ)为旋转矩阵，

本发明的有益效果是：将实测大气密度值引入轨道计算，构建了一种通过拟合、旋转实现大气密度模型值和实测值贴合的短时大气模型修正方法，通过算例应用和分析表明，针对某低轨道航天器，与传统的理论模型相比，该短时大气模型修正方法较好的提高了航天器轨道预报精度。

具体实施方式

下面结合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。

通常意义上讲，在太阳活动和地磁活动平静期，可以认为实测大气密度(考虑实测密度准确的情况下)比模型计算的大气密度更为贴近实际情况。主要是基于一段时间已知的实测大气密度，寻找已有大气密度模型同实测密度模型的关系，建立短时修正模型。这里，我们选取MSIS2000大气密度模型，找寻一种模型匹配原则以满足密度模型与实测密度的贴近，具体方法如下：

(1)分别对大气模型密度值和实测密度值进行线性拟合：令ρ_mod为MSIS2000大气模型密度值，ρ_{mod_fit}为模型密度线性拟合值，ρ_{real_fit}为实测大气密度线性拟合值，a₁和b₁是MSIS2000大气模型线性拟合的常数项和一次项系数，其中a₁的值域范围与密度值相当，b₁直线斜率值域为[-∞,+∞]，t为时间；a₂和b₂分别是实测大气密度线性拟合的常数项和一次项系数，意义同a₁和b₁。

(2)计算出实测大气密度拟合曲线和模型密度拟合曲线的夹角θ，然后逐点进行旋转，目的是将模型密度贴近实测大气密度。

其中，t′是旋转后的时间值，ρ′_mod为MSIS2000大气模型密度旋转后的值。M(θ)为旋转矩阵，

这样，经过对密度模型值的拟合、旋转，就完成模型同实测密度的近似匹配。同时，这种匹配方法也适用于只有部分实测大气密度数据支撑的短时大气模型修正计算。

下面以具体实例说明，基于以上的模型修正方法，计算了某在轨600km高度航天器四个数据弧段的修正模型轨道预报(3天)。并同时分析了DTM2000、MSIS2000模型预报3天的精度(基准轨道为3天GPS数据定轨结果)。

由步骤(1)和(2)计算的实测密度拟合曲线与模型密度拟合曲线夹角θ见表1。

基于实测大气密度的短时大气模型修正方法计算的大气模型修正值用于航天器轨道预报结果见表2。

表1修正模型相关参数取值

表2给出不同大气密度模型预报3天RMS统计：

表2不同大气密度模型预报3天统计结果

从上表可以看出，利用修正的大气模型进行轨道预报，其预报精度大多数情况是最好的。该实测大气密度短时修正模型与传统的理论模型相比，对低轨航天器轨道预报精度有较大的提升。

Claims (1)

1.一种基于实测大气密度的短时大气模型修正方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)选定大气密度模型，采集计算设定时长的实测大气密度，分别对大气模型密度值和实测密度值进行线性拟合，令得到实测大气密度拟合曲线和模型密度拟合曲线，其中，ρ_{mod_fit}为模型密度线性拟合值，ρ_{real_fit}为实测大气密度线性拟合值，a₁和b₁是MSIS2000大气模型线性拟合的常数项和一次项系数，a₂和b₂是实测大气密度线性拟合的常数项和一次项系数，t为时间；

(2)计算实测大气密度拟合曲线和模型密度拟合曲线的夹角然后对模型密度拟合曲线逐点进行旋转，得到旋转后的时间值t′和旋转后的选定大气模型密度值ρ′_mod，其中，ρ_mod为选定大气模型密度值，M(θ)为旋转矩阵，