基于球型卫星精密轨道的高层大气密度测量方法研究

作     者：王浚宇 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王兆魁

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：球型卫星 精密轨道数据 大气密度 模型修正 动力学反演法 

摘      要：地球大气是近地空间环境的重要组成部分。大气阻力是低轨航天器受到的主要摄动力之一,大气密度的精确测量对航天器轨迹预测、碰撞风险预警以及非受控航天器陨落等有着重要而深远的意义。卫星测量作为一种全球性、连续性以及近实时性的大气测量手段,被越来越多的用于中高层大气密度的探测中。本文基于球形结构的清华科学卫星高层大气探测任务,对基于卫星精密轨道数据的大气密度测量方法进行了研究。主要包括以下几个方面:针对大气密度受多种因素复杂变化特性,提出了基于精密轨道数据修正大气密度模型的测量方法,以提高大气密度的估计精度。结合球型大气密度测量卫星精密轨道数据精度高、连续性好的特点,设计了用于参数修正的动力学方法。根据方法的需求选择了对大气密度值直接参数化建模的Harris-Priester大气密度半经验模型,并对模型周日密度极值参数的建模进行了线性化调整,在保证计算精度的前提下提高了方法的计算效率。根据低轨卫星在轨受力模型,分析了卫星所受不同摄动力误差的量级,着重分析了重力场舍入误差和模型误差对大气密度估计误差的影响,建立了误差传递关系式。基于球型大气密度测量卫星载荷性能测试结果,分析了精密定轨误差对密度估计误差的影响,建立了误差量级传递关系式。使用模拟精密轨道数据,利用大规模数值仿真方法对大气密度半经验模型的参数动力学修正过程进行验证。选取轨道高度、轨道倾角、积分弧段时长等任务设计参数进行仿真,分析任务参数的取值对修正结果的影响。结果表明对于500km以下的轨道,模型参数均可较好收敛,且太阳同步轨道是最佳的轨道类型;处理过程中积分弧长的取值对参数收敛性和模型预测精度也有较大影响。根据设计参数分析结果,对球型大气密度测量卫星大气密度模型修正任务进行仿真验证。结果表明对于定轨误差为5cm的清华科学卫星大气密度探测任务,大气密度平均预测偏差量级为10kg·m。