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echo,论文引荐| 陈秋丽:斗极卫星太阳光压解析模型树立及使用,喉咙有异物感

《测绘学报》

构建与学术的桥梁 拉近与威望的间隔

斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用

陈秋丽1 , 杨慧1, 陈忠贵1, 王海红1, 王晨2

1. 北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094; 2. 武汉大学, 湖北 武汉 430072

收稿日期:2018-03-15;修回日期:2018-10-11

榜首作者简介:陈秋丽(1986-), 女, 博士生, 高档工程师, 研讨方向为卫星导航技能。E-mail:cql_hong@163.com

摘要:光压模型是导航卫星高精度定轨、定位的根底。现在关于斗极卫星光压摄动模型的研讨并不罕见,但特别污的日本漫画图片依据卫星物理参数的归纳解析模型树立与运用软瓷砖的损害揭露可见的论说并不多见。不同于其他保存和非保存摄动力,光压辐射与卫星本身参数状况密切相关,具有显着的个别差异性。本文依据光压辐射的物理机理、斗极卫星物理参数、姿势操控形式洪慧真等,树立光压摄动归纳解析模型,以精细星历和激光测距数据为基准,验证了归纳解析模型能够取得分米级的精细定轨精度。在此根底上,依据卫星角动量守恒和在轨遥测参数改变,剖析了归纳解析模型和在轨实践搅扰力的差值,提出了在归纳解析模型根底上添加常数经历修正项Da、Ya的办法,以斗极C08、C10星为例,别离可取得0.078、0.084 m的SLR检核精度,比较于运用CODE经历改进模型,精度别离进步0.021、0.045 m。

关键词:斗极卫星 光压摄动 归纳解析模型 经历修正项 精细定轨

Solar radiation pressure modeling and application of BDS satellite

CHEN Qiuli1, YANG Hui1, CHEN Zhonggui1, WANG Haihong1, WANG Chen2

1. Beijing Institute of Engineering Spacecraft System, Beijing 100094, China;2. Wuhan University, Wuhan 430072, China

First author: CHEN Qiuli(1986-), female, PhD candidate, senior engineer, majors in satellite navigation technology.E-mail:cql_hong@163.com

Abstract: Solar radiation pressure (SRP) model is the basis of high precise orbit determination and positioning of navigation satellites. At present, it is not uncommon for the study of SRP model of BDS satellite. However, the establishment and application of comprehensive analytical SRP model based on satellite physical parameters are rare. Different from other conservative force and non-conservative force, SRP is closely related to the satellite's physical parameters and in-orbit state, which has obviously individual differences. On the basis of the physical mechanism of solar radiation, BDS satellite physical parameters, in-orbit attitude control mode, and so on, comprehensive analytical model has been modeled in this paper. Based on precise ephemeris and laser ranging data, the pr总裁的3嫁娇妻ecision of comprehensive analytical model has been verified. And the precision of orbit determination is decimeter using echo,论文举荐| 陈秋丽:斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用,嗓子有异物感this comprehensive analytical SRP model. According to the satellite conservation theorem of angular momentum and change of in-orbit telemetry parameters, the decho,论文举荐| 陈秋丽:斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用,嗓子有异物感ifference between comprehensive analytical model and actual in-orbit interference force has been analyzed and calculated. The addition of empirical items on the comprehensive analytical model has been proposed in section 4. Taking C08, C10 satellite of BDS as an example, the precision of satellite laser ranging (SLR) checking prec女明星胸ision of them is 0.078 m and 0.084 m respectively. Compared with using the improved CODE empirical model, precision orbit accuracy of them has increased by 0.021 m and 0.045 m respectively.

Key words: BDS satellite solar radiation pressure comprehensive analytical model experience correction item precise orbit determination

斗极卫星导航系统取得了长足进展[1-2],在斗极试验验证系统(BDS-1)的根底上,2012年末建成了斗极区域卫星导航系统(B先有09后有天DS-2)[3],现在正在建造斗极全球卫星导航系统。可是,无论是卫星制造商仍是用户,一向未给出斗极导航卫星的光压摄动模型。

星历精度是衡量卫星导航系统功能的重要目标之一,其间光压摄动是影响导航卫星定轨、定位精度echo,论文举荐| 陈秋丽:斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用,嗓子有异物感的重要要素[4-6]。自20世纪80年代,传统固定面质比的光压模型[7-8]不能满意高精度定轨要求起,环绕导航卫星不同光压模型相继出现。依照建模原理不同,光压模型一般分为解析(剖析)模型和经历模型。典型的解析模型有GPS卫星制造商Rockwell和IBM联合开发的ROCK模型[9-10]、T10/20/30系列解析模型[11-12],经历模型包含Colombo模型[13]、CODE模型[14-16]及GSPM模型[17-19]

不同于其他保存和非保存摄动力,光压辐射与卫星本身参数状况密切相关,具有显着的差异。斗极卫星物理参数与GPS卫星不同,特别是,姿势操控形式存在接连动偏和零偏两种。因而,斗极卫星的光压摄动模型与其他模型(GPS模型)比较具有差异性。斗极区域系统运转之初,因为动零转化期间定轨精度发散严峻,相关研讨人员测验过分段线性光压解算、脉冲经历力等办法进步定轨精度,对动零转化期间的定轨成果有较为显着的改进。现在,关z00xx于斗极卫星定轨研讨多是依据经历型模型,系统性地进行归纳解析建模的研讨较少。

本文依据光压辐射的物理机理、斗极卫星物理参数和姿势操控形式,树立具有清晰物理意义的光压辐射归纳解析模型,以国际激光测距服务中心发布的激光测距数据和堆叠弧段内契合两种办法,经过精细定轨对归纳解析模型精度作了验证;在归纳解析模型的根底上,依据卫星角动量守恒定理和在轨遥测参数的改变,提出了归纳解析模型结合经历修正项Da、Ya改进精细定轨精度的办法,可完成厘米级的精细定轨精度,显着改进了卫星精细定轨效果。

1 光压摄动解析建模

契合广义光压辐射机理的摄动源,除了直接太阳光外,还有本身热辐射、地球反照、大功率天线电磁辐射[20]

1.1 光压辐射理论根底

光压摄动,是光子碰击卫星星体和太阳帆板后被反射或被吸收后的能量转化。爱因斯坦狭义相对论给出了能量、质量、动量之间的联系,此为核算单位面元光压辐射力的物理根底

(1)

式中,为辐射能量;c为光速;p为动量雨农谈股;m0为光子质量。

文献[21-22]对光子碰击物体外表发生光压辐射力的物理机理作了具体的剖析,本文不再进行剖析,式(2)、式(3)给出了一束光照在物体外表发生的法向和切向光压力

(2)

(3)

式中,Fn和Fs别离为法向和切向力;E=1350 W/m2为太阳辐射常数;A为被照耀面元面积;为入射角;c为光速;v为反射率;为镜面系数。

其间,地球反照光与太阳光相似,二者辐射强度不同。地球反照光辐射分为红外辐射和光学辐射两部分,红外辐射与轨迹高度相关,地球同步卫星轨迹高度的红外辐射强度约为21~49 W/m2,光学辐射只存在被太阳照亮的半球。

热辐射是卫星与空间环境的热交流办法,航天器经过把热负荷发出到外部环境,与国际热辐射布景坚持热平衡[23echo,论文举荐| 陈秋丽:斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用,嗓子有异物感]。热辐射能在卫星与环境之间交流是树立热辐射模型的根底[24],斯特藩-玻尔兹曼规则给出了辐射能量公式[25]

(4)

式中,Er是热辐射能;是资料发射率;=5.669 910-8W/(m2K)4是斯特藩-玻尔兹曼常数;T为外表资料温度。

热辐射引echo,论文举荐| 陈秋丽:斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用,嗓子有异物感起的热辐射力为

(5)

式中,fthermal是热辐射力,其他参数意义同上。

导航天线90%以上的功率会集在天线辐射方向,电磁辐射力由有用全向辐射功率EIRP决议。

1.2 归纳解剡文轩析建模办法

卫星本系统作为归纳解析建模的基准坐标系,其原点与卫星几许中心重合,Z轴平行于天线视场中心轴,Y轴沿某个太阳帆板打开,X轴与YZ轴满意右手旋转原则。在星本系统中,归纳考虑直接太阳光、卫星本身热辐射、地球反照光、天线电磁辐射的影响,对4种要素进行共同综echo,论文举荐| 陈秋丽:斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用,嗓子有异物感合建模。

对直接太阳光压、地球反照光解析建模,要考虑的卫星工程参数包含卫星外表部件装置信息、形状尺度、外表资料反射率、镜面系数、卫星姿势操控规则、卫星质量等。对卫星本身热辐射进行解析建模,触及卫星外表三维构型、外表资料红外半球发射率及外表部件的外外表温度。天线电磁辐射与天线功率相关。光压摄动解析建模办法[6]在不同文章中均有介绍,本文不再赘述。

以斗极歪斜地球同步轨迹(IGSO)卫星和中圆轨迹(MEO)卫星为例,外表部件包含平面、圆柱面、圆锥面、抛物面等,触及十多种外表资料。装置信息和尺度面积取工程测量值,外表光学特性参数由地上标定。表 1给出了其间部分首要外表部件的参数信息。

表 1 IGSO/MEO卫星部分首要外表部件建模参数Tab. 1 The main engineering parameters of IGSO and MEO satellite for SKP modeling

外表部件装置形状尺度面积/m2资料反射率镜面系数
+X固定平面3.784星表多层初期0.64~晚期0.350
-X固定平面、圆锥形3.784星表多层初期0.64~晚期0.350
+Y固定平面4.4OSR:2.223其他为多层OSR初期0.865~晚期0.715/0.751
-Y固定平面4.4OSR:2.18其他为多层OSR初期0.8echo,论文举荐| 陈秋丽:斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用,嗓子有异物感65~晚期0.715/0.751
+Z固定平面3.44白漆:1.039其他为多层ACR-1防静电白漆初期0.77~晚期0.450
-Z固定平面3.44星表多层初期0.64~晚期0.350
南北帆板绕Y轴旋转63.78硅光电太阳电池片0.280.85

卫星姿势操控形式和部件的运动规则决议了外表部件每个面元受照耀或遮挡状况以及是否存在二次照耀。斗极IGSO/MEO卫星存在两种姿势操控形式,一种是正常状况下的接连动态柞木虫偏航操控,导航天线视场中心(即星本体的+Z面)对准地心,便于传送导航信号,卫星绕本陈曼仪系统+Z轴偏航旋转,使得太阳矢量在星本系统XOZ面内且+X轴指向太阳,太阳帆板绕Y轴滚动,笔直于太阳光线以取得满足的能量;还有一种是当太阳矢量与轨迹面夹角<4且偏航角速度小于5/s时,卫星绕+Z轴的旋转为0,太阳帆板笔直于太阳矢量在轨迹面内的投影,此刻因为太阳与轨迹面夹角较小,帆板没有彻底笔直盯梢太阳仍能确保满足的能源供应,记为零偏航。斗极GEO卫星只要零偏航一种姿势操控形式。

运用光路盯梢解析建模法核算斗极3类卫星光压摄动加无良皇帝txt全集下载速度,并进行数学建模,别离针对接连动态偏航和零偏航两种姿控形式树立光压摄动归纳解析模型,动偏期间取太阳矢量与星本系统+Z轴之间的夹角为自变量,记作eps∈(0,180)。零偏期间,取太阳矢量在本系统XOZ面的投影与星本系统+Z轴之间的夹角为自变量,相同记作eps∈[0,360]。

运用式(6)所示傅里叶多项式别离针对卫星本系统中XYZ3方向光压摄动加速度的仿真成果进行数学建模。依据半年时间的仿真成果,傅里叶多项式的系数运用最小二乘拟合残差最小的办法取得,统筹拟合精度和工程实践运用的便利性,归纳解析模型的数学成果用3阶,即式(7)

(7)

仿真成果表明,由热辐射引起的摄动加速度约为直接太阳光压摄动加速度的8%~9%。地球反照光压辐射的效果首要体现在Z轴狙击女神天使方向,最大为直接太阳光压辐射的4%~5%,X向为直接太阳光压辐射的1%左右。经核算,天线辐射发生的摄动加速度相对更小,本文忽略不计。

2 归纳解析模型的验证与优化

为验证归纳解析模型用于定轨核算的精度,本节经过SLR检核和堆叠弧段来评价模型精度,即比较精细定轨核算成果与作为基准的标称轨迹之间残差的均方根RMS评价模型精度。

2.1 精细轨迹确认验证剖析

卫星轨迹动力学模型中光压摄动模型选用仿真所得的归纳解析模型,地球引力场模型选用7070的Joint Gravity Model 3[26],日、月引力经过初始星历核算日月方位。测验时间为2015年全年,即年积日1-365 d,全球测站数目约70个。每15 min核算一组轨迹,核算其与标称轨迹残差,全年每天北府兵统帅输出一个残差核算值的均方根。定轨核算中,除光压模型参数外,还对卫星初始方位、速度进行预算。图 1为以C08、C10卫星为例,SLR检核残差均方根在2015年全年的散布状况,动态偏航期间全年轨迹残差均方根的核算值别离为0.771和0.738 m,残差大于1.5 m作为异常值予以除掉。其间,零偏弧段精度稍差,C08和C10星零偏期间均方根的核算值别离为1.169、1.142 m,残差大于2.5 m作为异常值予以除掉。

图 1 归纳解析模型用于精细定轨残差rms散布Fig. 1 Residual distribution of precise orbit determination using c逍遥小神医金富有omprehensive analysis model

关于归纳解析模型亚米级的SLR检核精度,以为差错源于两方面,一是解析建模的输入参数均为理论输入与实践在轨状况间不可避免地存在误差,二是其他细小搅扰项对精细轨迹的影响没有被模型化。

对此,依据过后精细星历反向估量与其相适应的归纳解析模型(1阶)的最佳系数,核算成果表明,物理参数、轨迹类型均相同的卫星,最佳光压模型系数仍存在必定差异。关于IGSO和MEO卫星中,同一轨迹面内卫星间最佳估量系数挨近共同,不同轨迹面的系数间存在差异,阐明光压摄动存在长周期项没有被模型化。相同的,不同GEO卫星间最佳估量参数也有所差异轮候冻住是什么意思,图 2为5颗GEO卫星最佳估量系数的Z向摄动加速度。

图 2 斗极GEO卫星最佳估量系数的Z向光压加速度Fig. 2 Optimal estimation ofZweight of SRP acceleration for GEO satellite

2.2 经历项对光压模型的改进验证

为研讨归纳剖析模型与在轨实践光压辐射之间的误差,铁十字军旗永不落本节经过卫星姿势、反效果轮转速、磁场强度、推力器累积喷气时间等在轨遥测参数改变核算所受搅扰力矩的改变,从而核算等效搅扰力。假定卫星为一刚体,依据式(5)所示动量守恒定理,可求卫星等效搅扰力矩

(5)

式中,Htt时间整星角动量;Ht0为t0时间整星角动量;Md为等效搅扰力矩;Mm为磁力矩;Mt为推力器力矩;t=tt0t1为磁力矩器累积工作时间; 怎样啪啪t2为推力器累积工作时间。

依据在轨遥测每5 min可求解一组绕星本系统XYZ3方向的均匀等效搅扰力矩,假定此搅扰力矩是由效果在星体外表的搅扰力引起的,则可核算效果在卫星的搅扰力与光压摄动归纳剖析模型间的差值。由此推得在星本系统中,在轨卫星所受搅扰力除归纳解析模型外,还存在一个X铜组词向和Z向残差,与eps相关,可由卫星至太阳的D向常数表明,如图 3所示为一天内的差异散布。此外,Y向重量动偏期间仍存在。

图 3 归纳解析模型与在轨遥测差Fig. 3 The difference between comprehensive analysis model and in-orbit telemetry data

经历证核算,式(7)中3阶归纳解析模型降为1阶傅里叶多项式(k=1),并添加Da和Ya两个常值经历修正项进行精细定轨核算,能够取得厘米级的SLR检核精度。图 4为以不同轨迹面的C08、C10为代表,C08星和C10星精细定轨校验成果的rms值别离为0.078和0.084 m,残差大于0.5 m作为异常值予以除掉,比较归纳解析模型定轨成果有十分显着的改进。此外,与C08星和C10星运用CODE经历模型的定轨残差rms值0.099、0.129 m比较,别离有0.021、0.045 m的改进。相同的办法对国际激光测距服务中心盯梢的斗极C01、C13卫星作精细定轨核算,rms值别离为0.26、0.05 m。

图 4 归纳仿真模型+经历项精细定轨,SLR校核成果Fig. 4 SLR verification of precise orbit determination using comprehensive analysis model and experiential parameters

图 5为估量C10星Da、Ya在一年的改变。谱剖析成果表明,经历修正项Da与太阳高度角的-sin()出现较强的相关性,修正项Ya一年内随机散布,没有特别的规则性。

图 5 C10星经历修正项Da、Ya一年内的改变Fig. 5 Curve of empirical correction of Da and Ya for one year

相同是运用归纳解析模型加经历项修正项的办法对卫星进行定轨核算,在不考虑钟差的状况下,经过比较堆叠弧段法向、切向、径向内契合精度评价模型定轨精度,斗极各卫星的堆叠弧段等效URE精度见表 2。其间,GEO卫星精度为0.3 m左右,IGSO卫星为0.15 m左右,MEO卫星为厘米级。

表 2 归纳解析模型加经历项堆叠弧段等效URETab. 2 Equivalent URE of overlap orbit arcs using comprehensive analysis model and experiential parameters

m
卫星号等效URE均值
C010.4390.344
C020.218
C030.325
C040.408
C050.332
C060.1930.179
C070.172
C080.171
C090.204
C100.154
C110.0400.043
C120.042
C140.047

3 定论

本文以斗极卫星为例,依据光压辐射的物理机理、卫星物理参数、姿势操控形式等卫星相关状况信息,树立了光压摄动归纳解析模型,并用于精细定轨核算。定轨成果,经过与激光测距数据比较和堆叠弧段自校两种评价办法,证明了归纳解析模型可支撑分米级的定轨精度。

依据卫星角动量守恒定理和在轨遥测参数改变,推导核算了归纳解析模型和实践在轨搅扰力差异,提出了在归纳解析模型根底上添加Da和Ya经历修正项进行精细定轨的办法。SLR检核成果表明,C08和C10星轨迹残差的rms值别离为0.078和0.084 m,过后精细定轨精度能够到达厘米级,比较于CODE经历模型精度别离进步0.021、0.045 m,改进效果显着,全星座堆叠弧段定轨精度在0.3 m以内。

【引文格局】陈秋丽, 杨慧, 陈忠贵, 等. 斗极卫星太阳光压解析模型树立及运用. 测绘学报,2019,48(2):169-175. DOI: 10.11947/j.AGCS.2019.20180097

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