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比方漫衍式卫星编队构形设想、编队 卫星协同节

[发布时间: 2019-09-18]

  JournalofSpacecraftTT&CTechnologyApr.2012 平均轨道根数取亲近轨道根数的交换 1.配备学院 101416 2.国防科学手艺大学航天取材料工程学院长沙 410073 和简化普适摄动算法,提出平均轨道根数取亲近轨道 根数的交换算法 Tan-DEM-X 编队的双星为例进行仿线 短周期影响的转换算法比拟,本文提出的交换算法 :由平均轨道根数转换的亲近轨道根数取STK8 软件给出的成果分歧 ;由亲近轨道根数转换的平均轨道 根数取防空司令部发布的双行轨道根数分歧 中图分类号:V412.4 文献标记码: 文章编号:1674-5620 02-0077-05Transformationbetween MeanandOsculatingOrbitalElements HU Min ZENGGuoqiang 2.CollegeofAerospaceandMaterialEngineering Meanorbitalelementsplayakeyroleindesignandsimulationofdistributedspacecraftformationflightandsatelliteconstellations.Thispaperproposestransformationalgorithmsbetweenthemeanandosculatingorbital elementsbasedonTLE .Numericalsimulationisdonewiththeon-orbitTanDEM-Xformationsatellitesasanexample.Thepresentedtransformationalgorithms havehigheraccuracyincomparison withconventionalalgorithmsthatonlytakeintoaccounttheshortterminflu- encesofJ2perturbations.ThecalculatedosculatingorbitalelementsarecoherentwiththeresultsgeneratedbySTK 8.Moreover NorthAmericanAerospaceDefenseCommand .Simulationresultsshowthattheproposedmethodisscientificandhaspracticalap-plicationvalue. Ke words:MeanOrbitalElements;OsculatingOrbitalElements;TwoLineElements (TLE);Simplified General Perturbations4 TransformationAlgorithms律愈加无效,从而节流编队构形节制的燃料耗损。 针对地球非球形摄动, Brouwer和 Kaula指出, 正在J2项摄动的影响下,卫星轨道的摄动能够分为长 期摄动、长周期摄动和短周期摄动三部 因为只考虑持久变化项,平均轨道根数反映的是轨道的持久 彼此转换算法,可是均只考虑了J2 平均轨道根数正在航天使命阐发取设想中起着至关主要的感化,例如分布式卫星编队构形设想、编队 卫星协同节制以及卫星星座设想取节制等。卫星的 和速度暗示的是卫星的瞬时运转形态,对应的 轨道根数为亲近轨道根数。 因此,正在进行分布式卫 星的协同节制取仿实中,将面对平均轨道根数取密 切轨道根数的彼此转换问题,通过采用合适的转换 算法,能够使设想的编队构形愈加不变,设想的节制 2012-04-13105717 jlhm09@163.com78 飞翔器测控学报 要进一步提高转换精度,还需要考虑其他较次要摄动的影响。 NORAD (防空司令部)提出了基于开普勒 TLE(双行根数)及响应的 SGP4 J4项摄动、大气摄动及日月引力摄动等摄动要素的影响,它用特定的方式去掉了周期扰 动项,预告模子必需利用同样的方式沉构这些扰动 析方式,计较速度快,能够切确地预测轨道。本文基于 TLE SGP4模子,实现了从平均轨道根数到亲近轨道根数的转换,然后,采用 TLE 点拟合算法,实现了从亲近轨道根数到平均轨道根数的转换。最初,通过仿实验证了本文算法的准确 性和优越性。 、偏疼率e、近地址幅角ω 、平近点角 速度n以及归一化大气阻尼系数B NORAD按照空间方针运转周期的分歧,供给了 种预测模子,包罗 SGP SDP4以及 SGP8 计较模子。本文次要针对近地卫星编队飞翔展开研究,故次要实现 SGP4算法。 SGP4 Lane的大气密度模子对推导出 KenCranford于1970年开辟。 它将 Brouw- er于1959年采用的 Von-Zeipel正则变换方式给出 的摄动解成果用于引力场模子,大气模子采用密度 加权函 SDP4[11] 平均轨道根数转亲近轨道根数SGP4模子采 理论根本坐标系定义 J2000地心赤道惯性坐标系( OEXIYIZI J2000系即地球平赤道、平春分点坐标系,它取 1.12000年1月1 坐标原点位于地心OE ,以赤道面为基准面, OEXI 指向平赤道面上的平春分点,OEZI轴垂曲于平赤道 面指向北极,OEYI OEXI轴、OEZI )实赤道平春分点坐标系(TEME 考时辰为轨道历元时,称为TEMEofDate SGP4模子计较步调 Fig.1 ComputationstepsofSGP4 model SGP4模子 TEME系到 J2000 Rz为坐标扭转矩 1.2TLE 参数及SGP4模子 亲近轨道根数转平均轨道根数 因为 TLE 的生成算法仍被戈达德航天核心保 留,使其正在使用的时效性和普遍性上遭到。 TLE的次要根数项包罗轨道倾角 、升交点赤79 敏,等:均轨道根数取亲近轨道根数的交换亲近轨道根数拟合 TLE 次要有2种方式:单点拟合 和轨道采样。单点拟合计较速度快,可是无法获得 阻尼系数 [13]。文献[ 14 及时生成该方针的TLE 参数。 文献[ 15 ]采用单点 拟合方式,操纵时间和坐标转换,拟合出空间方针的 TLE 参数。本文以航天器的亲近轨道根数为参考, 采用单点拟 TE道根数之间的关系可暗示为 暗示SGP4 预告模子。泰勒展开一阶线性化为 yj-yj xi=xi Fig.2 Computationflowchartofconversionfromosculating orbitalelementstomeanorbitalelements TLE可由下式迭代获得 98.943890.4788 15.297 操纵本文的算法,获得初始时辰的亲近轨道根 数如表1所示。 yj-yj yj-yj Tab.1操纵本文算法获得的亲近轨道根数 Transferredosculatingorbitalelements usingtheproposedalgorithms 算法流程图如图2所示。 本文中迭代误差 取值为1.010 -9 仿实算例取阐发平均轨道根数转亲近轨道根数仿线数做为输入,将计较获得的亲近轨道根数取 STK8 软件生成的亲近轨道根数比拟,验证本文算法的正 确性。同时,取 动短周期影响的转换成果进行比对,验证本文算法的优越性。 以目前正在轨进行高精度丈量 SAR 使命的 TanDEM-X 编队 NO-RAD 发布的 TerraSAR-X 卫星的 TLE 参数做为输 入,实现平均轨道根数到亲近轨道根数的转换。 TerraSAR-X 卫星的 TLE 参数为 [16] 操纵STK8软件生成的亲近轨道根数 Tab.2 Generatedosculatingorbitalelements usingSTK8software 只考虑J2项摄动短周期影响 的亲近轨道根数 如表 所示。颠末统计阐发,平均轨道根数转亲近轨道根数 31698U07026A 268.29126157 00000-0 22170-2 9982.00046781 3169897.4460 273.8507 0001308 轨道根数 数值 轨道根数 数值 77.071928轨道根数 数值 轨道根数 数值 77.07186580 飞翔器测控学报 只考虑J2项摄动短周期影响的亲近轨道根数 操纵本文算法,计较获得的 TanDEM-X 卫星的 平均轨道根数为: XXXXXUXXXXXA 11268.29126157 Tab.3 Transferredosculatingorbitalelementsconsidering J2short-periodperturbationsonly .00000000 00000-0 10000-4 XXXXX97.4458 273.8493 0001654 93.9754 95.4450 15.478 单点拟合 TLE 无法获取归一化阻力系数 因而文中认为该系数为0。平均角速度的一阶和二 阶导数只正在 SGP 模子中利用,故文中也认为该系数 NORAD发布的 TanDEM-X 卫星的 TLE 参数 平均轨道根数转亲近轨道根数的转换精度Tab.4 Precisionoftransformationfrom meanorbital elementstoosculatingorbitalelements 36605U10030A 11268.29126157 .00004263 00000-0 20609-3 6290轨道根数 均值 尺度差 3660597.4458 273.8493 0001654 93.9754 95.4450 15.024 只考虑 J2 项摄动短周期影响 的平均轨道根数 4.06210-4 只考虑J2项摄动短周期影响的平均轨道根数 1.710 -6 -1.3710 -5 3.47310 -4 1.8210 -4 1.110 -4 4.3410 -4 2.64710 -4 2.5510 -4 Tab.6 Transferredmeanorbitalelementsconsidering J2short-periodperturbationsonly 只考虑J2项摄动短周期影响的转换算法有 STK8软件生成的亲近轨道根数分歧。 亲近轨道根数转平均轨道根数仿线UTC TanDEM-X卫星的亲近轨道根数做为输入,实现密 切轨道根数到平均轨道根数的转换。将计较获得的 平均轨道 ]中提出的只考虑J2项摄动短周期影响的转换成果进行比对, 验证本文算法的优越性。 初始时辰 TanDEM-X 表5所示。4.2 颠末统计阐发,操纵本文算法获得的平均轨道 NORAD发布的 TLE 参数完全分歧。 阐发可知,本文的算法较保守的只考虑J2项摄动短 周期影响的转换算法有较大改良。 平均轨道根数取亲近轨道根数的彼此转换很是复杂,而平均轨道根数正在分布式卫星编队构形设想 以及卫星星座设想中起着很是主要的感化。保守的 平均轨道根数 的交换仅考虑了J2 项摄动的短周期影响,所转换获得的平均轨道根数 另有必然的误差。本文基于 TLE SGP4模子,研 TLE平均轨道根数考虑了包罗地 非球形J2 J4项摄动、大气摄动及日月引力摄动等摄动要素的影响,可以或许较为精确地反映航天器的正在轨运转环境。 仿实成果表白,本文提出的平均轨道根数取亲近轨 TanDEM-X卫星的初始亲近轨道根数 Tab.5 Initialosculatingorbitalelements ofTanDEM-Xsatellites 轨道根数 数值 轨道根数 数值 78.207737轨道根数 数值 轨道根数 数值 98.841914轨道根数 数值 轨道根数 数值 357.65870681 敏,等:均轨道根数取亲近轨道根数的交换道根数的交换算法是准确的,较保守的方式有较大 改良,能够正在分布式航天器以及卫星星座设想、节制 取仿实范畴获得普遍使用。 LiuGuangming. Research Non-cooperativeTarget Trac kingAlgorithmsandRelatedTechnologiesUsingSpace- based Bearings-only Measurements NationalUniversi tyofDefenseTechnology .长沙:国防科学技 LiJun.ResearchonKey echnologiesofSpaceObjectsSurveillanceand Trackingin Spa ce-basedOpticalSurveillance NationalU-nivers ityofDefenseTechnology ChinaAstronautic Publishing Hou se .:航空航天大学, 1999 BeihangUniversity 郝继刚.分布式卫星编队构形节制研究[D].长沙:国防科学手艺大 HaoJigang.StudiesonFormation Co nfigurationControlofDistributedSatellites .Chang-sh 48-50 [J].中国空间科学手艺,2002,(5):14-20(WangRu ItsApplicationintheSatelliteConstellationDesign ChineseSpaceScienceandTechnology YuanJianping HeXingsuo. pacecraftOrbit Maneuver Dynamics ChinaAst ronauticPublishing House 术,2011,33(5):1104-1123(Liu Guangming WenYuanlan LiaoYing.Fitting Algo- rithmo fTLEParametersBasedonNon-singularTransforma- tion 长沙:国防科学手艺大学,2008 HanLei.Orbit eterminationandErrorAnalysiswithSpaceandGroundCo-oper ationfor LEO SpaceSurveillance Na-tional UniversityofDefenseTechnology HootsFR,Roehrich L.ModelsforPropagationoftheNORAD ElementSets space-trk.pdf SDP4模子用于空间碎片轨道预 测的精度阐发[ 中国空间科学手艺,2004 HanLei SDP4ImplementedinSpaceDebrisOrbitPrediction .ChineseSpaceScienceandTechnology .长沙:国防科技 WangWei GaoYudong.Fundamentalsof Near-earth Spacecraft Orbit NationalUniversityofDefenseTechnologyPress MaZhihao.Con-st ellation Design MissionPlanning Study SpaceSurveillance NationalUniversity DefenseTechnology JochimEF etal.GPSBasedOn-boardandOngroundOrbitOperationsforSmallSatellites ByougnSL.NORADTLE Conversionfrom OsculatingOr- bitalElements .JournaloftheAstronauticalSciences NORAD.NORADTwo-LineElementSetsCurrentData www.celestrak.com