CN109159927A - 一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，建立了测站对返回器进行观测时返回器及测站位置与测站工作仰角之间的模型，在此基础上提出了一种基于上述模型的评价函数，并给出了地面位置是否满足测站工作的最低仰角要求的评价判据，实现测站的分布区域计算。因此，本发明能够基于返回器的飞行弹道(含实际弹道和理论弹道)快速计算满足要求的测站分布区域，在再入返回测控总体分析中，计算结果能够有效解决再入段测控总体任务分析中测站的选取及测站的位置布设等问题。另外，在应急返回的情况下，本发明的计算结果可为应急再入返回过程任务中心测站资源选取与调度提供支撑。

Description

一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法

技术领域

本发明属于航天器测控技术领域，涉及再入返回测控技术，具体涉及一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，用于实现再入段对返回器可见的测站区域的确定。

背景技术

探测器返回技术是空间探测中的一项重要关键技术，已成功应用于近地空间科学研究、载人航天工程及月球和深空探测任务中。目前我国已经成功实施多次返回式卫星任务，载人航天工程中实施多次无人返回和载人返回，航天员平安返回地面是任务成功的关键；月球探测工程，再入返回飞行试验中圆满完成我国首次月球再入返回，后续计划在嫦娥五号任务中实施第2次再入返回实现月球采样返回，携带月球样品的返回器安全着陆至地面意义重大。

地面测控网承担返回器再入返回段的天地通信、返回轨道跟踪及落点预报、返回器弹道测量及控制等任务。测站的布设需要考虑返回器的飞行状态，在适当的位置布设地面测站，对于保证地面正常跟踪同时满足跟踪测量弧段、保证任务安全及搜索救援均具有重要作用。地面测站的选取及配置对于再入应急测控均具有重要作用。

然而，在现有技术中，实际的任务执行过程中面临以下难题。

首先是多窗口任务的测站位置选取。在后续月球采样返回任务中，采用多天发射窗口多条发射弹道发射，在月面采样完成并返回地球时，月地返回也存在多个窗口，相应的月地返回时也存在多条返回弹道，以保证返回器正常返回地面。在对再入返回段进行测控系统总体分析设计过程中，需要考虑多天多条返回弹道的约束。固定测控设备的选取、移动测控设备点位布局等均需要满足多天窗口的测控需求。因此，需要明确在给定的理论飞行弹道的条件下，满足对多天返回弹道的返回器均可见地面测站分布区域，地面为测控站的选取、移动测控设备的布置提供理论依据。

另一个难点在于应急测控资源调配。在实际返回器再入飞行过程中，若返回器实际飞行弹道与理论的飞行弹道偏差较小，地面测站按照总体设计方案进行跟踪。若在飞行过程中出现异常情况，返回器实际飞行弹道与理论的飞行弹道存在较大的偏差，原有的测站将不能完成返回器跟踪测量任务，在该情况下需要快速地确定对返回器可见的地面测站的分布区域，确定地面跟踪测站，分配测控资源，确保返回器再入过程中的实时准确的跟踪。在该情况下，需要根据实际飞行弹道计算出对返回器可见地面测站分布的区域，并根据该区域内测站的分布情况实时调度测站进行跟踪，以保证在应急状态下返回器正常测控。

综合上述情况可知，急需一种方案，能够针对正常的再入返回过程多窗口任务的测站位置选取、应急再入返回过程测控资源调配的需要，根据理论飞行弹道或实际飞行弹道计算对返回器可见的地面测站分布区域，在此基础上再根据实际的任务需求确定测站的选取。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出再入段对返回器可见测站区域确定的方案，首先建立了满足对返回器可见的测站位置于返回器位置之间的模型，在此基础上给出了具体的对返回器可见的测站分布区域，最后结合任务的实际情况开展了相应的分析。

本发明的再入段对返回器可见测站区域确定的方案，通过建立返回器及测站的位置与测站工作仰角之间的模型，结合返回器飞行弹道数据，能够快速获得满足要求的测站分布区域，为再入段测控总体分析、应急再入测控资源调配提供依据。

本发明提供了一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，用于实现再入段对返回器可见的测站区域的确定，包括以下步骤：步骤一，建立测站与返回器的空间直角坐标系下的空间位置关系模型；步骤二，根据空间位置关系模型，推导建立测站至返回器的向量与过测站的切平面的法向量的乘积以及向量与法向量的模的乘积；步骤三，建立测站对返回器可见的位置评价函数，从而获得测站对返回器可见的位置区域的集合；步骤四，计算返回器在飞行过程中对应的各个测站区域，从而获得再入段对返回器的整个飞行过程中的测站分布区域的集合。

额外地，在步骤一中还包括：将返回器和测站的空间位置与测站的工作仰角之间的关系模型表示为其中，在空间直角坐标系下，地心为O，测站位于地球表面的位置G处，返回器的位置为S，测站对返回器跟踪式的工作仰角为θ，测站的位置向量为返回器的位置向量为测站到返回器的向量并且过测站的切平面的法向量为

具体地，在步骤一中，根据坐标转换关系，确定测站的位置向量和过测站的切平面的法向量

其中，X₁＝N₁cos B₁cos L₁，Y₁＝N₁cos B₁sinL₁，Z₁＝N₁(1-e²)sin B₁，X₂＝R₂cosδ₂cosα₂，Y₂＝R₂cosδ₂sinα₂，Z₂＝R₂sinδ₂，a表示地球为标准的椭球体时的半长轴，e为偏心率，L₁为测站的大地经度，B₁为测站的大地纬度，并且测站位于标准椭球面的高度为H₁＝0。

另外，在步骤一中，根据坐标转换关系，确定返回器的位置向量为和测站到返回器的向量

其中，α₂为返回器在空间球坐标下的经度，δ₂为返回器在空间球坐标下的纬度，R₂为返回器到地心的距离。

在步骤二中，测站至返回器的向量与过测站的切平面的法向量的乘积为测站至返回器的向量与过测站的切平面的法向量的模的乘积为其中，为的模以及为的模。

在步骤三中，测站对返回器可见的位置评价函数为其中，θ₀为测站的最低工作仰角。

测站对返回器可见的位置评价函数的判据为：若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＜0，则θ＞θ₀，表示测站的工作满足最低仰角要求；若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＝0，则θ＝θ₀，表示测站的工作满足最低仰角要求；若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＞0，则θ＜θ₀，表示测站的工作不满足最低仰角要求。

在步骤三中执行：在θ≥θ₀的情况下，判断测站的工作满足最低仰角要求，并且确定测站对返回器可见的位置区域的集合为Q＝{(L₁，B₁)|K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)≤0}。

在步骤四中执行：在返回器的飞行过程中，确定不同时间点t＝t(i)(i＝1，2，…，N)对应的测站区域Q_t＝t(i)，其中，N为正整数；基于不同时间点对应的测站区域，获得再入段对返回器的整个飞行过程中的测站分布区域的集合其中，i＝1，2，…，N。

因此，相对于现有技术，本发明具有以下的有效效果：

1)本发明建立了测站对返回器进行观测时返回器与测站的位置与测站工作仰角θ之间的模型并提供了测站位置是否满足条件的评价函数，能够快速准确的确定满足要求的测站分布区域；

2)发明能够实现对多窗口再入段返回弹道测站分布区域计算，根据该发明计算的结果能够有效解决再入段测控总体任务分析中测站的选取及测站的位置布设等问题；

3)本发明可基于返回器的实时弹道计算满足条件的测站分布区域，在应急返回的情况下，该发明的计算结果可以为应急再入返回过程任务中心测站资源选取与调度提供支撑；

4)本发明对于再入返回测控总体分析设计、任务中心测站资源选取与调度均具有重要参考意义。

附图说明

图1是本发明的再入段对返回器可见测站区域确定方法的流程图；

图2是本发明具体实施方式所涉及的测站与返回器的相对位置关系图；

图3是本发明具体实施方式所涉及的经转换及简化后测站与返回器的相对位置关系图；

图4是本发明具体实施方式所涉及的评估函数的仿真分析结果图；

图5示出了利用再入返回弹道计算的测站分布区域结果；

图6是本发明具体实施方式所涉及的最终的测站分布区域的示意图。

具体实施方式

应了解，本发明的设计思路在于：通过建立返回器及测站的位置与测站工作仰角之间的模型，结合返回器飞行弹道数据，快速获得满足要求的测站分布区域，为再入段测控总体分析、应急再入测控资源调配提供依据。

下面结合附图1-6及具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1是本发明的再入段对返回器可见测站区域确定的方法的流程图。如图1所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、建立测站与返回器空间直角坐标系下空间位置关系模型；

设地心为O，测站位于地球表面，位置为G；返回器位置为S，测站对返回器跟踪时的工作仰角为θ；

测站工作仰角与返回器与和测站空间位置关系模型表示如下：

其中表示测站至返回器的向量，表示过测站的切平面的法向量。

步骤二、推导建立向量的乘积及向量模的乘积

其中，为的模，为的模；X₁＝N₁cos B₁cos L₁，Y₁＝N₁cos B₁sin L₁，Z₁＝N₁(1-e²)sinB₁，X₂＝R₂cosδ₂cosα₂，Y₂＝R₂cosδ₂sinα₂，Z₂＝R₂sinδ₂；L₁为测站大地经度，B₁为测站大地纬度，a地球为标准的椭球体时半长轴，e为偏心率，α₂为返回器空间球坐标下经度，δ₂为返回器空间球坐标下纬度，R₂为返回器地心距离。

步骤三、建立对返回器可见测站位置的评价函数，获得对返回器可见测站位置区域的集合；

其中，θ₀为测站最低工作仰角：

评价函数判据如下：

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＜0，则θ＞θ₀，表示测站工作满足最低仰角要求。

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＝0，则θ＝θ₀，表示测站工作满足最低仰角要求。

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＞0，则θ＜θ₀，表示测站工作不满足最低仰角要求。

将满足θ≥θ₀的测站的位置组成的集合表示如下：

Q＝{(L₁，B₁)|K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)≤0}

步骤四、计算返回器飞行过程中t＝t(i)，i＝1，2，…，N对应的测站区域Q_t＝t(i)，N为正整数，获得对返回器整个飞行过程中测站分布区域的集合

接下来，对本发明的再入段对返回器可见测站区域确定的方法进行详细介绍。

一、建立返回器和测站空间位置与测站工作仰角关系模型

假设地心为O，测站位于地球表面，其位置为G；返回器位置为S，两者的位置关系如图1所示。测站对返回器跟踪时的工作仰角为θ。

在空间直角坐标系下，测站的位置向量可以表示为返回器的位置向量可以表示为测站到返回器的向量其可以表示为

参考图1，测站对返回器观测时的工作仰角为θ，测站到返回器的向量与过测站的切平面之间的夹角为测站的工作仰角，其等于θ。

对图1中测站与返回器之间的位置关系进行简化，得到如图2所示的位置关系。假设过测站的切平面的法向量为因此测站到返回器的向量与测站的切平面的法向量为的夹角为90°-θ。

返回器和测站空间位置与测站工作仰角关系模型表示如下：

二、根据坐标转换关系，建立测站的位置向量 及过测站的切平面的法向量为

其中，a地球为标准的椭球体时半长轴，e为偏心率，L₁为测站大地经度，B₁为测站大地纬度，测站位于标准椭球面其高度H₁＝0。

三、根据坐标转换关系，建立返回器位置向量 及测站至返回器向量

其中，α₂为返回器空间球坐标下经度，δ₂为返回器空间球坐标下纬度，R₂为返回器地心距离。

测站到返回器的向量其可以表示为：

四、推导建立 及

步骤五、建立对返回器可见测站位置的评价函数获得对返回器可见测站位置区域 的集合

对返回器可见测站位置的评价函数

其中，θ₀为测站最低工作仰角。

评价函数判据如下：

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＜0，则θ＞θ₀，表示测站工作满足最低仰角要求。

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＝0，则θ＝θ₀，表示测站工作满足最低仰角要求。

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＞0，则θ＜θ₀，表示测站工作不满足最低仰角要求。

满足θ≥θ₀的测站其位置组成的集合表示如下：

Q＝{(L₁，B₁)|K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)≤0} (公式9)

六、计算返回器飞行过程中t＝t(i)(i＝1，2，…，N)对应的测站区域Q_t＝t(i)，获得对 返回器整个飞行过程中测站分布区域的集合

接下来，执行仿真分析的试验。

首先，试验条件如下：

1、地面最低工作仰角：θ₀＝5°；

2、评价函数验证分析返回器位置：[α₂，δ₂，R₂]＝[39.73°，102.49°，6439.35km]；

3、测站分布区域计算返回器飞行弹道：再入返回飞行试验返回器弹道。

接下来，获得结果并进行适当分析：

1、评价函数验证分析

根据上述的多个公式，计算的到评价函数的结果对应的测站位置如图3所示，其中虚线对应的评价函数取值K＝0，测站工作仰角等于5°；由虚线围成的区域内部，评价函数K＜0测站工作仰角＞5°；虚线围成的区域外部，评价函数K＞0测站工作仰角＜5°。

根据评价准则获得工作仰角θ≥θ₀＝5°的测站位置集合Q为如图3所示虚线围成区域及内部，满足上述条件的(L₁，B₁)是一个以返回器当前时刻星下点中心的近似圆的闭合曲线。

2、测站分布区域计算

返回器飞行高度曲线如图4所示，其中纵轴表示返回器距离地面的高度，单位为km；横轴表示返回器飞行时间，单位为s。根据图4中返回器的飞行情况，对返回器弹道按照时间间隔为1s进行离散化处理，N＝1020，t(1)＝800s，t(2)＝801s，…，t(N)＝1819s。

另外，根据本发明所述方法，计算得到不同的时间对应的测站分布区域，并取并集，获得最终的测站分布区域如图5所示，途中实线为返回器的星下点位置，虚线及其围成的长条形区域为工作仰角θ≥5°的测站分布区域，虚线外部为不满足条件的测站区域。在上述利用本发明确定的M_θ≥5°区域内任选一个位置放置测站，对返回器进行观测时，满足设计要求。

综上所述，采用本发明，能够基于返回器的飞行弹道(含实际弹道和理论弹道)快速计算满足要求的测站分布区域，在再入返回测控总体分析中，计算结果能够有效解决再入段测控总体任务分析中测站的选取及测站的位置布设等问题。另外，在应急返回的情况下，本发明的计算结果可为应急再入返回过程任务中心测站资源选取与调度提供支撑。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，用于实现再入段对返回器可见的测站区域的确定，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立所述测站与所述返回器的空间直角坐标系下的空间位置关系模型；

步骤二，根据所述空间位置关系模型，推导建立所述测站至所述返回器的向量与过所述测站的切平面的法向量的乘积以及所述向量与所述法向量的模的乘积；

步骤三，建立所述测站对所述返回器可见的位置评价函数，从而获得所述测站对所述返回器可见的位置区域的集合；

步骤四，计算所述返回器在飞行过程中对应的各个测站区域，从而获得再入段对所述返回器的整个飞行过程中的所述测站分布区域的集合。

2.根据权利要求1所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，在所述步骤一中还包括：

将所述返回器和所述测站的空间位置与所述测站的工作仰角之间的关系模型表示为

其中，在所述空间直角坐标系下，地心为O，所述测站位于地球表面的位置G处，所述返回器的位置为S，所述测站对所述返回器跟踪式的工作仰角为θ，所述测站的位置向量为所述返回器的位置向量为所述测站到所述返回器的向量并且所述过测站的切平面的法向量为

3.根据权利要求2所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，在所述步骤一中，根据坐标转换关系，确定所述测站的位置向量和所述过测站的切平面的法向量

其中，

X₁＝N₁cos B₁cos L₁，Y₁＝N₁cos B₁sin L₁，Z₁＝N₁(1-e²)sin B₁，X₂＝R₂cosδ₂cosα₂，Y₂＝R₂cosδ₂sinα₂，Z₂＝R₂sinδ₂，a表示地球为标准的椭球体时的半长轴，e为偏心率，L₁为所述测站的大地经度，B₁为所述测站的大地纬度，并且所述测站位于标准椭球面的高度为H₁＝0。

4.根据权利要求3所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，在所述步骤一中，根据坐标转换关系，确定所述返回器的位置向量为和所述测站到所述返回器的向量

其中，

α₂为所述返回器在空间球坐标下的经度，δ₂为所述返回器在空间球坐标下的纬度，R₂为所述返回器到地心的距离。

5.根据权利要求4所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述测站至所述返回器的向量与过所述测站的切平面的法向量的乘积为所述测站至所述返回器的向量与过所述测站的切平面的法向量的模的乘积为

其中，

其中，为的模以及为的模。

6.根据权利要求5所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述测站对所述返回器可见的位置评价函数为

其中，θ₀为所述测站的最低工作仰角。

7.根据权利要求6所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，所述测站对所述返回器可见的位置评价函数的判据为：

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＜0，则θ＞θ₀，表示所述测站的工作满足最低仰角要求；

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＝0，则θ＝θ₀，表示所述测站的工作满足最低仰角要求；

若K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)＞0，则θ＜θ₀，表示所述测站的工作不满足最低仰角要求。

8.根据权利要求7所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，在所述步骤三中执行：

在θ≥θ₀的情况下，判断所述测站的工作满足最低仰角要求，并且确定所述测站对所述返回器可见的位置区域的集合为Q＝{(L₁，B₁)|K(L₁，B₁，α₂，δ₂，R₂，θ₀)≤0}。

9.根据权利要求8所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，在所述步骤四中执行：

在所述返回器的飞行过程中，确定不同时间点t＝t(i)(i＝1，2，…，N)对应的测站区域Q_t＝t(i)，

其中，N为正整数。

10.根据权利要求9所述的一种再入段对返回器可见测站区域确定的方法，其特征在于，在所述步骤四中还执行：

基于不同时间点对应的测站区域，获得再入段对所述返回器的整个飞行过程中的所述测站分布区域的集合

其中，