CN109059937B - 一种星上自主卫星轨道预报方法 - Google Patents
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Abstract
一种星上自主卫星轨道预报方法，首先用户综合考虑所轨道预报精度和实际工程可接受运行时间，预先设置轨道预报周期和分段时间间隔；由地面控制系统针对用户提出的轨道预报需求进行精确预报，生成轨道预报周期内所有分段初始轨道参数；接着，地面控制系统将生成的各分段初始轨道参数按照预先设置好的分段时间间隔依次上注到星上控制系统，作为星上控制系统自主轨道预报的输入；最后，星上控制系统基于各分段初始轨道参数进行星上自主的轨道预报。本发明基于星地配合，有效发挥地面的高计算能力，同时降低了星上自主轨道预报算法运行时间，同时兼顾了轨道预报的工程实践精度。
Description
技术领域
本发明属于航天轨道动力学技术领域，涉及一种兼顾卫星轨道精确度和轨道计算运行时间的星上轨道预报方法。
背景技术
轨道预报是指在已知卫星当前时刻状态的前提下，根据卫星的运动学微分方程，来预测卫星在未来一段时间内的位置和速度。轨道预报对于卫星导航、卫星测控任务规划等都具有重要的作用。我国的低轨卫星轨道计算目前普遍使用的是考虑地球非引力场主要带谐项的拟平均根数法，同时在注入参数中考虑大气摄动的影响造成的半长轴的长期效应，该方法在多年的航天实践中得到了成功应用。
由于传统非自主卫星的管控模式为“地面控制，星上执行”，因此传统非自主卫星不需要进行星上自主长时间轨道预报。传统非自主卫星规划由地面完成并生成卫星控制指令，卫星本身不需要进行轨道预报，然而随着卫星自主能力的提高，卫星具有了自主任务规划的能力。任务规划指的是针对所需要完成的观测任务进行优化决策调度选择合理的观测，并生成观测任务的执行方案，星上自主的到来势必要求卫星具有星上自主轨道预报的能力。同时，星间通讯条件有限且星上存储资源有限，若地面外推一天轨道数据通过卫星测控窗口直接上注，这样大数据的轨道数据不仅占用的大量的卫星测控通道，而且造成了星上存储资源的浪费。
目前主流的精确预报卫星轨道的方法，综合考虑50×50阶的地球引力模型、太阳引力模型、月亮引力模型、太阳光压模型、大气阻力模型、地球发射压模型和潮汐摄动模型等，以下简称精确算法(如可以参考：【杨嘉墀,范秦鸿,张云彤等.航天器轨道动力学与控制(上).中国宇航出版社.1995:1～10,144～151,187～197,500,512～514】)。精确算法计算复杂度高、精算精度高，但是精确算法的模型存储需要几十兆的内存空间，而且计算速度较慢，需要占用计算平台的大量计算资源。特别对于计算资源和存储资源双双有限的星载计算机，直接将精确算法搬至星上是不可想象的。因此考虑对精确算法进行简化，比如只考虑较低阶的的地球引力模型，或者只考虑地球引力模型、太阳引力模型、月亮引力模型、太阳光压模型、大气阻力模型、地球发射压模型和潮汐摄动模型等中的少数几种模型的算法，以下简称简化算法。从模型占用存储空间的角度来看，简化算法对计算模型的简化大大减少了内存占用的开销，同时计算复杂度也大大降低，但是随之而来的是计算结果的精度损失，直接应用简化算法无法满足工程实践的精度要求。
为了更好的理解轨道预报算法计算复杂度和计算精度无法两全的尴尬局面，下面先给出一组精确算法和简化算法的运行结果。
采用相同的初始卫星轨道参数，从2016年2月2日8时0分0秒开始，分别使用精确算法和简化算法对未来10800秒内的卫星轨道数据进行预报，每个算法分别运行100次求得运行时间的平均值如表格1所示，简化算法预报结果与精确算法预报结果的绝对误差随着时间变化曲线如图1所示。
表1精确算法与简化算法运行时间对比
| 预报算法 | 算法运行平均时间(s) |
| 简化算法 | 0.021 |
| 精确算法 | 1.0386 |
从表1可以看出简化算法的预报运行时间远远小于精确算法的运行时间，然而结合简化算法预报轨道数据的绝对误差。如图1所示，图中的六个参数是以卫星轨道在地固坐标系为坐标系，图1(a)中的三个参数表示卫星的三轴位置，图1(b)中的三个参数表示卫星的三轴速度。容易得出：虽然简化算法具有较快的运行速度，但是简化算法的精确度也同时大大降低了。
鉴于我国的卫星测控模式为“一天一测，一天一控”，实现卫星星上自主大的重要前提就设计一种可以在有限星上计算资源的约束下，实现较高精度的轨道预报的轨道计算预报方法。正如前文介绍，精确算法虽预报轨道精度很高，然而需要占有总舵计算资源且运行时间较慢；简化算法运行时间较少，但是预报精度不尽如人意。因此，上述两种轨道计算方法都无法直接运用于星上轨道计算。
发明内容
为了解决星上自主的轨道计算问题，本发明目的在于提供一种星上自主卫星轨道预报方法,，其是一种星地配合的兼顾卫星轨道精确度和计算运行速度的轨道预报方法。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种星上自主卫星轨道预报方法，包括以下步骤：
Step1用户综合考虑轨道预报精度和实际工程可接受运行时间，预先设置轨道预报周期和分段时间间隔；
Step2地面控制系统针对用户提出的轨道预报需求进行精确预报，生成轨道预报周期内所有分段初始轨道参数；
Step3地面控制系统将生成的各分段初始轨道参数按照预先设置好的分段时间间隔一次性上注到星上控制系统，作为星上控制系统自主轨道预报的输入；
Step4星上控制系统基于地面控制系统上注的分段初始轨道参数，采用简化轨道预报算法进行并行分段轨道预报，然后将各分段轨道预报结果拼接使用。
本发明的Step2中，地面控制系统调用地面精确轨道预报算法(即精确算法)针对用户提出的轨道预报需求进行精确预报。具体地，地面精确轨道预报算法中考虑的模型包括50×50阶的地球引力模型、太阳引力模型、月亮引力模型、太阳光压模型、大气阻力模型、地球发射压模型和潮汐摄动模型等。
本发明Step4中，星上控制系统基于地面控制系统上注的分段初始轨道参数，采用简化算法(即简化轨道预报算法)进行计算消耗较小的轨道预报。具体地，本发明中星上控制系统采用的简化轨道预报算法只考虑2阶的地球引力模型。
相对于现有技术，本发明产生了以下有益技术效果：
本发明基于星地配合，有效发挥地面控制系统的高计算能力，采用精确算法进行未来长周期的精确外推，获取未来一段时间内按照一定分段粒度的轨道参数序列，然后通过卫星测控窗口一次性上注完整轨道参数序列，星上基于轨道参数序列采用简化算法进行并行分段轨道预报，拼接进行使用，减少了计算的复杂性，不仅降低预报算法运行时间，同时兼顾了轨道预报的工程实践精度。
附图说明
图1为轨道预报参数绝对误差示意图
图2为注入分段轨道参数预报示意图；
图3为本发明的流程图；
图4为本发明提供的仿真实例中的位置参数误差对比图。
图5为本发明提供的仿真实例中的速度参数误差对比图。
图6为本发明提供的仿真实例中参数1误差对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，作进一步详细说明。
如图3所示，本发明提供一种星上自主卫星轨道预报方法，主要是采用分段多初始值、段间隔预报的思路，从而减少预报算法运行时间，且提高预报准确性。在地面端即地面控制系统通过精确算法预报卫星轨道参数，将多段初始精确轨道参数一次性上注卫星(图2中：A时刻注入初始时刻和包括1到4各阶段的初始轨道参数)，星上控制系统基于地面上注的各分段初始轨道参数，采用简化轨道预报算法进行计算消耗较小的分段轨道预报。该方法既能满足预报精度要求又能降低计算复杂性、减少计算时间。
本发明的基本流程如图3所示：
Step1用户综合考虑轨道预报精度和实际工程可接受运行时间，预先设置轨道预报周期和分段时间间隔；
Step2地面控制系统调用地面精确轨道预报算法针对用户提出的轨道预报需求进行精确预报。具体地，地面精确轨道预报算法中考虑的模型包括50×50阶的地球引力模型、太阳引力模型、月亮引力模型、太阳光压模型、大气阻力模型、地球发射压模型和潮汐摄动模型等。
Step3地面控制系统将生成的各分段初始轨道参数按照预先设置好的分段时间间隔一次性上注到星上控制系统，作为星上控制系统自主轨道预报的输入；
Step4星上控制系统基于地面控制系统上注的分段初始轨道参数，采用简化轨道预报算法进行并行分段轨道预报，然后将各分段轨道预报结果拼接使用。具体地，本实施例中星上控制系统采用的简化轨道预报算法只考虑2阶的地球引力模型。在实际应用中当然也可以采用只考虑地球引力模型、太阳引力模型、月亮引力模型、太阳光压模型、大气阻力模型、地球发射压模型和潮汐摄动模型等中的少数几种模型的简化轨道预报算法。
针对本发明提供的一种并行分段误差纠正的卫星轨道预报方法，关于该方法的预报效果，申请人进行了大量的仿真实验，以下摘录一组仿真数据。从2016年2月2日8时0分0秒开始，预报未来10800秒的卫星轨道数据，分别每间隔600s，1200s，1800s，2160s，2700s，3600s提供下一个时间段卫星初始轨道参数，星上控制系统基于各分段初始轨道参数采用简化算法(星上采用的简化算法(即简化轨道预报算法)只考虑2阶的地球引力模型)进行并行分段轨道预报，预报的绝对值误差如表格2所示：
表格2分段预报的绝对值误差对比
结合表2以及图4、图5，容易看出本发明提出的采用固定间隔初始轨道参数进行分段轨道预报的方法可以明显提高简化算法的预报精度。如图6所示，参数1的预报精确提升尤为明显，卫星轨道预报精度改进较大。
通过细化预报初始轨道参数的分段时间间隔，可以不断提高预报的精度，特别在分段时间间隔较短(600s)时，简化算法预报的轨道数据域精确算法的预报结果精度相差无几，完全可以替代精确算法，服务于工程实践。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (4)
1.一种星上自主卫星轨道预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1用户综合考虑轨道预报精度和实际工程可接受运行时间，预先设置轨道预报周期和分段时间间隔，将轨道预报周期按照分段时间间隔进行分段；
Step2地面控制系统针对用户提出的轨道预报需求进行精确预报，生成轨道预报周期内所有分段初始轨道参数；
Step3地面控制系统将生成的各分段初始轨道参数按照预先设置好的分段时间间隔一次性上注到星上控制系统，作为星上控制系统自主轨道预报的输入；
Step4星上控制系统基于地面控制系统上注的各分段初始轨道参数采用简化轨道预报算法进行并行分段轨道预报，然后将各分段轨道预报结果拼接使用。
2.根据权利要求1所述的星上自主卫星轨道预报方法，其特征在于：Step2中，地面控制系统调用地面精确轨道预报算法针对用户提出的轨道预报需求进行精确预报。
3.根据权利要求1所述的星上自主卫星轨道预报方法，其特征在于：Step2中，地面精确轨道预报算法中考虑的模型包括50×50阶的地球引力模型、太阳引力模型、月亮引力模型、太阳光压模型、大气阻力模型、地球发射压模型和潮汐摄动模型。
4.根据权利要求1所述的星上自主卫星轨道预报方法，其特征在于：Step4中，简化轨道预报算法只考虑2阶的地球引力模型。
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