轨道机动模型在低轨航天器定轨中的应用研究.pdf

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1、第19卷第4期2013年7月载人航天V01．19No．445轨道机动模型在低轨航天器定轨中的应用研究张宇1'2，陈明1,2,3，段建锋1，谢剑锋1,2(1航天飞行动力学技术重点实验室，北京100094；2北京航天飞行控制中心，北京100094；3中国科学院上海天文台，上海200030)摘要现代航天任务中，各类航天器由于工作的需要必须进行适时的变轨或进行其它轨道机动。由于这些轨道机动的动作导致前后数据不能有效的拟合，降低了定轨精度。为此，建立了适用于各类航天器轨道机动的动力学模型，通过运用测轨数据使用数值积分方法求

2、解各类模型参数，着重探讨近地航天器的轨道机动的影响，并主要使用GPS导航定位数据分析其精度，实现了轨控参数的求解标定，同时提高了短弧段的定轨能力和预报精度。关键词航天测控；轨道确定；轨道机动；近地轨道中图分类号：V411．4文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)04—0045—071引言航天器运行期间，由于工作的需要、空问环境的变化或其它内外力的作用，除了受大气阻力及其它摄动力的影响外，还会受到轨控作用力、姿控作用力、泄压作用力及其他短期不明扰动作用力的影啊㈦。所有这些作用力因作用方式的不同，影响

3、轨道的量级也不同，最终都会给轨道计算带来影响，降低定轨精度。因此，能否有效解算出各种作用力的影响是定轨过程中的难题㈣。其中，近地航天器摄动力的量级及定轨使用参数如下所示：表1一种343km高度近地航天器摄动力量级及定轨使用参数摄动名称摄动力量级定轨使用模型参数地球非球形摄动10一3JGM一2模型(70X70)大气阻尼摄动10-6MSISE90(面质比0．004，系数2．2)日月摄动10—7DE405历表太阳光压摄动lO-8锥形模型(系数1．44)其他行星摄动10“DE405历表轨道机动等摄动100～10一’轨道机

4、动模型由此可见，轨道机动等摄动的影响比大气阻尼摄动的量级还要大，这类摄动主要的特点是：摄动量级大，影响时间短㈣。通常的处理方式是截掉机动前的数据，如果在机动后的测量数据足够多的情况下，这种处理方式对定轨精度影响不大；但是某些航天器需要频繁变轨，在实时性要求很高，机动后测量弧段很少的情况下需要实施高精度定轨预报会显得捉襟见肘。为了提高定轨精度，建立了轨道机动模型以解决这个问题。本文对作用于航天器上的机动力进行建模分析，实现了基于机动力建模的高精度轨道确定。2轨道机动模型建立近地航天器总的加速度为：j■=Rm+RNs

5、+RDR+R、R+RrAC+RT+RD晤总摄动加速度定义为除了地球引力加速度之外的加速度。航天器的考威尔积分运动方程就可以写成：≠=兀≠，≠，t，声)，声=(≠。，≠。，声+)1其中，≠航天器的位置坐标列向量，声模型参数向量，收稿日期：2012—12—13；修回日期：2013—06—20作者简介：张宇(1979一)，男，硕士，工程师，主要从事航天器轨道计算和精度分析工作。E—mail：zackyzy@163．com载人航天第19卷}，≠航天器在J2000．0惯性坐标系中t时刻的位置和速度，声+与阻力、引力谐系数等

6、有关的常值模型参二数，爰踟由n个质点产生的引力加速度，天。。由引力位：的非球形部分产生的引力加速度，天。。由大气阻尼力‘：二产生的加速度，天。。由太阳辐射压产生的加速度，天，+：由航天器发动机推力产生的加速度，矗删。由姿态调‘i整过程引起的加速度，天胴由扰动引起的加速度[9-10l。』-二R，、矗烈。以及尺册这几类摄动它们可以独立建模，在相关参数未知或未准确已知的情况下均可通过航天器动力学对轨道机动经验力进行解算，下面介绍航天器动力学轨道机动经验力模型。根据各种作用力的特点，建立以下三种机动力模型：2．1惯性空间

7、XYZ方向上的常值机动力模型=l～其模型偏导数为：+一，q，aOaO(aa)一，G一，q，)一，a(％，％，ao)一O(ao，‰，吃o)“3。3该模型主要用于航天器在惯性空间姿态保持条件下的轨控过程，此时存在持续且稳定的轨控推力，如深空探测过程中的巡航姿态。2．2轨道坐标系RTN方向上的常值机动力模型焘。：l哆l：[RTN]7％唧aN：[RTN]7％oaTO‰其模型偏导数为：——垫—一：_旦迫堡墨上：[RTN]7a(％o，aro，aNo)a(aRo，aro，aNO)该模型主要用于航天器对地巡航姿态条件下的轨控过程

8、。此时存在稳定的轨控推力，且推力方向沿RTN方向上保持(一般在T方向上)。2．3轨道坐标系RTN方向上的线性递减至零的机动力模型：[RTN]7an％aN：[RTN]7％oaToaNO其模型偏导数为：a(％o，o如，aNO)一意罢告=[RTN]7术(·一一taa)a(％o，加，NO)。＼T／其中，t为相对于作用力开始时刻的时间，r为作用力持续时间区间长度。该模型主要用于扰动