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轨道预报的一种乘法保辛摄动方法

中国科学：技术科学 2016年第12期46卷 1232-1241页

作者：吴志刚杨今朝彭海军张朔大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 大连理工大学航空航天学院大连116024 大连理工大学工程力学系大连116024

为了准确预报人造卫星的轨道,需要考虑复杂的动力学模型,并使用数值方法进行求解.虽然Runge-Kutta法和Adams-Cowell法等数值积分方法在轨道预报中已经取得了预期的效果,但是一般不考虑保辛,忽视了系统的固有特性.本文提出适用于轨道预... 详细信息

为了准确预报人造卫星的轨道,需要考虑复杂的动力学模型,并使用数值方法进行求解.虽然Runge-Kutta法和Adams-Cowell法等数值积分方法在轨道预报中已经取得了预期的效果,但是一般不考虑保辛,忽视了系统的固有特性.本文提出适用于轨道预报的乘法保辛摄动方法,将描述卫星运动的Hamilton正则方程分解为二体问题和摄动部分.二体问题采用解析解,摄动部分用区段矩阵近似求解.由于二体问题的状态转移矩阵必然为辛矩阵,故此过程保辛.本文考虑的摄动因素有地球非球形引力、日月引力、太阳光压和潮汐摄动,选取GPS卫星做数值仿真,以GPS卫星精密星历为参照得到轨道预报误差,并与Runge-Kutta法和Adams-Cowell法进行对比.结果表明:对PRN01号GPS卫星和PRN02号GPS卫星进行3 d的轨道预报,本文算法的误差分别为4.56和10.10 m,精度与Runge-Kutta法和Adams-Cowell法一致,而Runge-Kutta法与Adams-Cowell法的计算耗时分别是本文算法的237.7%与71.3%,因此本文算法效率明显高于Runge-Kutta法,但比Adams-Cowell法稍低.

关键词：保辛乘法摄动轨道预报受摄二体问题 GPS卫星

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半解析卫星轨道不确定性快速估计方法

宇航学报 2024年第3期45卷 399-408页

作者：于彦君岳程斐李化义陈雪芹刘培哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院深圳518055 上海卫星工程研究所上海710119

基于半解析法和球形单边采样无迹变换提出一种轨道不确定性快速估计方法。首先在考虑J2摄动和大气阻力摄动的基础上,构建轨道要素解析模型用于瞬时轨道要素快速估计。随后基于该轨道要素快速估计方法,结合球形单边采样无迹变换传播初始... 详细信息

基于半解析法和球形单边采样无迹变换提出一种轨道不确定性快速估计方法。首先在考虑J2摄动和大气阻力摄动的基础上,构建轨道要素解析模型用于瞬时轨道要素快速估计。随后基于该轨道要素快速估计方法,结合球形单边采样无迹变换传播初始轨道不确定性,依据高斯摄动方程和球形单边采样点的特性对传播后的采样点进行修正,估计传播后的轨道不确定性。最后将提出的半解析法与高斯和模型相结合,以提高精度。数值仿真分析了所提出的轨道不确定性估计方法相较无迹变换法的计算效率提升程度,并依据似然一致性度量将所提出的方法与蒙特卡洛法、无迹变换法等进行了精度比较。结果表明,所提方法的计算效率相较于传统无迹变换法有较大提升,且具有合适的精度。

关键词：轨道预报不确定性传播轨道要素球形单边采样无迹变换高斯和模型

基于智能算法的空间站轨道预报与碰撞概率计算方法

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基于智能算法的空间站轨道预报与碰撞概率计算方法

作者：雷骐玮国防科技大学

学位级别：硕士

建设空间站是载人航天发展的高级阶段。由于空间站尺寸较大且一般运行在低地球轨道,因此其运动受高层大气阻力摄动的影响较大,与空间碎片发生碰撞的概率也较大。高层大气密度受多种复杂因素影响,目前还无法准确建模,导致空间站轨道预报... 详细信息

建设空间站是载人航天发展的高级阶段。由于空间站尺寸较大且一般运行在低地球轨道,因此其运动受高层大气阻力摄动的影响较大,与空间碎片发生碰撞的概率也较大。高层大气密度受多种复杂因素影响,目前还无法准确建模,导致空间站轨道预报及与碎片发生碰撞概率的计算都受到影响。本文将经典的轨道动力学理论与深度神经网络、强化学习算法等新兴人工智能算法相结合,尝试解决空间站轨道预报及碰撞概率计算问题。首先,研究了一种利用DDPG强化学习算法补偿空间站运动方程数值积分结果,从而提高轨道预报准确性的方法。在分析空间站所受摄动力的基础上,建立其在轨运动方程,设计了基于强化学习的数值预报结果补偿方案。完成了强化学习过程建模与算法选择,确定了合适的强化学习网络输入输出参量,生成了网络模型的训练和测试样本。对深度学习和DDPG强化学习网络进行了训练和测试,基于数值仿真分析了轨道预报精度及改进效果。其次,研究了利用PPO2强化学习算法修正大气模型参数,从而提高动力学方程数值积分预报精度的方法。在US1976标准大气模型的基础上引入了PPO2强化学习网络,用于补偿大气模型不准确造成的预报误差。设计了基于强化学习的轨道动力学模型修正的轨道预报方案,用于补偿大气模型参数偏差。设计了强化学习网络模型,选择了训练参量并完成网络训练,通过数值仿真验证了强化学习方法的实时性和准确性。最后,研究了利用深度神经网络替代多重数值积分计算空间站与空间碎片碰撞概率的方法。构建了空间站与空间碎片发生遭遇的场景,讨论了基于多重数值积分的传统碰撞概率计算方法,设计了一种基于深度神经网络的碰撞概率计算方案。用多重数值积分方法生成了网络模型的训练和测试样本,完成了深度神经网络模型的训练。通过轨道预报与碰撞概率计算的联合数值仿真,验证了所提人工智能方法的有效性与快速性。论文研究工作对我国空间站和低轨航天器的轨道预报、安全运行等问题的研究与工程实施具有参考价值。

关键词：轨道预报碰撞概率计算大气阻力摄动深度学习 DDPG算法 PPO2算法预报结果补偿动力学模型修正

基于有限观测数据的航天器轨道平滑和预报算法研究

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基于有限观测数据的航天器轨道平滑和预报算法研究

作者：韩雨恒中南大学

学位级别：硕士

高精度且快速的航天器轨道平滑和预报可以提高卫星的在轨服务能力,降低轨道维持的能量消耗,延长卫星的使用寿命。基于传统动力学模型的轨道平滑与预报方法需要精确地建模卫星所受到的摄动力。由于卫星所在空间力学环境的复杂性,精确地... 详细信息

高精度且快速的航天器轨道平滑和预报可以提高卫星的在轨服务能力,降低轨道维持的能量消耗,延长卫星的使用寿命。基于传统动力学模型的轨道平滑与预报方法需要精确地建模卫星所受到的摄动力。由于卫星所在空间力学环境的复杂性,精确地构建所有摄动力模型存在较大的困难,这导致基于传统动力学模型的卫星轨道平滑和预报存在一定的误差。针对这一问题,本文重点研究了基于有限观测数据的轨道平滑与预报算法,使用数据拟合和神经网络方法,基于有限观测数据建立航天器轨道的平滑和预报模型,绕开传统方法中对摄动力精确建模的困难,有效提高了轨道平滑和预报的精度与速度。本文首先基于航天器轨道的动力学模型建立了高精度数值预报模型和基于Brouwer平根数理论的解析预报模型,并结合PRN03卫星的历书数据,对高精度数值预报模型和基于Brouwer平根数理论的解析预报模型进行了仿真分析,建立了后续算法有效性的比较基准。然后针对传统解析法轨道平滑方法计算量小、平滑精度差,而数值法平滑精度高、计算量大的问题,提出了一种基于有限观测数据的、数值拟合与解析预报相结合的轨道平滑算法,使用Brouwer平根数理论进行轨道的解析预测,引入傅里叶级数进行数值拟合,消除解析预测与实测数据之间的误差。该算法有效地提高了轨道平滑的精度,在继承了解析法计算量小的优点的同时,改进了其平滑精度差的缺点。最后针对有限观测数据下傅里叶级数拟合平滑模型轨道预报精度差的问题,给出两种基于神经网络的轨道预报模型,这两种模型分别以具有外部输入的非线性自回归神经网络(NARX)和长短时记忆神经网络(LSTM)为基础,结合Brouwer平根数理论进行轨道预报。仿真结果表明两种模型的误差修正率均在70%左右,预报精度居于解析预报和高精度数值预报之间,计算耗时远低于高精度数值预报方法。图47幅,表43个,参考文献69篇

关键词：轨道预报轨道平滑高精度数值预报平均轨道根数神经网络

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空间碎片半解析法轨道预报精度性能分析

红外与激光工程 2015年第11期44卷 3310-3316页

作者：李彬桑吉章宁津生武汉大学测绘学院湖北武汉430079 地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079

针对数以万计的空间碎片,进行快速、精确的轨道确定与预报,以提供可靠的空间碰撞预警是当前空间态势感知的一个重要研究方向。半解析卫星/空间碎片轨道积分,可以克服轨道积分中数值法耗时、解析法低精度的不足。讨论了已初步研发成功的... 详细信息

针对数以万计的空间碎片,进行快速、精确的轨道确定与预报,以提供可靠的空间碰撞预警是当前空间态势感知的一个重要研究方向。半解析卫星/空间碎片轨道积分,可以克服轨道积分中数值法耗时、解析法低精度的不足。讨论了已初步研发成功的利用多尺度摄动原理的半解析轨道积分器及其在空间碎片轨道预报中的精度性能,并以精密数值积分结果作为"真轨道"评估半解析轨道积分器的精度。大量数据处理结果表明:面质比0.01、轨道高度300 km的碎片,预报1天,耗时不足60 ms,精度2 km左右,且随高度增加,预报精度更高,当高度超过1 000 km时,1天的预报精度仅为50 m左右,满足许多精密空间应用的要求。

关键词：空间碎片半解析轨道积分器轨道预报大气阻力

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基于补偿波形调整的导航卫星轨道预报方法

武汉大学学报（信息科学版） 2017年第8期42卷 1061-1067页

作者：李晓杰潘玲郭睿苏冉冉朱陵凤董恩强唐桂芬北京卫星导航中心中国科学院测量与地球动力学国家重点实验室 61287部队

针对利用动力学模型得到的预报轨道随时间推移精度衰减较快的问题,尝试采用神经网络作为建模工具改进北斗导航卫星轨道预报精度。对影响神经网络模型补偿效果的因素进行了详细分析,基于神经网络补偿波形调整策略制定了适应导航卫星短期... 详细信息

针对利用动力学模型得到的预报轨道随时间推移精度衰减较快的问题,尝试采用神经网络作为建模工具改进北斗导航卫星轨道预报精度。对影响神经网络模型补偿效果的因素进行了详细分析,基于神经网络补偿波形调整策略制定了适应导航卫星短期、中期和长期预报的神经网络优化模型。利用实测数据进行了试验分析,结果表明,该方法可以显著改进利用动力学模型得到的预报轨道精度。短期预报中,当采用的训练样本距离当前时刻大于10d时,应移动补偿波形;中长期预报中均应移动补偿波形。相比补偿波形不调整的神经网络模型,采用基于补偿波形调整的神经网络优化模型后,预报弧长为8、15、30d时,改进率分别提高了2.3%、6.7%、10%。

关键词：神经网络轨道预报轨道摄动 GEO IGSO

随机森林在低轨空间目标阻力系数确定问题中的应用

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测绘地理信息 2024年第2期49卷 33-37页

作者：刘涵月夏胜夫桑吉章武汉大学测绘学院湖北武汉430079 地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079

对绝大多数空间目标而言,由于观测条件和观测手段的限制,测轨数据稀疏且精度较低,传统轨道确定时一并解算的大气阻力系数精度稳定性很差。针对这一问题,提出一种基于随机森林的大气阻力系数预测模型。该模型主要利用某个目标的历史大气... 详细信息

对绝大多数空间目标而言,由于观测条件和观测手段的限制,测轨数据稀疏且精度较低,传统轨道确定时一并解算的大气阻力系数精度稳定性很差。针对这一问题,提出一种基于随机森林的大气阻力系数预测模型。该模型主要利用某个目标的历史大气阻力系数、轨道数据、太阳地磁指数、大气密度等信息预测该目标未来一段时间内的大气阻力系数。仿真GRACE(gravity recovery and climate experiment)A卫星2002年的测轨数据,进行多个时间段的轨道确定与预报模拟实验。结果表明,相比于传统方法,利用所提模型预测大气阻力系数,再将其应用于轨道确定和预报,7天轨道预报最大误差降幅可达60%,有效抑制了最大误差,为稀疏测轨数据条件下改善空间目标轨道确定与预报精度提供了一种技术途径。

关键词：大气阻力系数轨道预报随机森林稀疏数据

PCE方法在空间实验室轨道预报误差分析中的应用

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宇航学报 2019年第11期40卷 1286-1295页

作者：欧阳琦陈明李翠兰李勰北京航天飞行控制中心

应用多项式混沌展开法(PCE)进行空间实验室轨道预报误差分析。通过构建PCE模型对轨道预报的不确定性传播过程进行近似,进而对轨道预报后航天器位置和速度的误差进行分析。分析了不同PCE模型阶数、预报时长以及样本点的数目对构建PCE模... 详细信息

应用多项式混沌展开法(PCE)进行空间实验室轨道预报误差分析。通过构建PCE模型对轨道预报的不确定性传播过程进行近似,进而对轨道预报后航天器位置和速度的误差进行分析。分析了不同PCE模型阶数、预报时长以及样本点的数目对构建PCE模型的影响。综合考虑精度和计算效率,给出了适用于空间实验室轨道预报误差分析的PCE模型。将PCE方法与传统方法进行对比,结果表明PCE方法有较好的非线性近似能力,且计算效率高,验证了PCE方法应用于空间实验室轨道预报误差分析的有效性。

关键词：多项式混沌展开法(PCE) 空间实验室轨道预报

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神经网络在北斗导航卫星轨道预报中的应用

武汉大学学报（信息科学版） 2015年第9期40卷 1253-1258页

作者：李晓杰郭睿黄金朱陵凤谭红力董恩强北京卫星导航中心北京100094 北京市遥感信息研究所北京100192

导航卫星的自主定轨是提高卫星导航系统生存能力的一个重要手段,在解决导航星座自主定轨中涉及到高精度的轨道预报,提高轨道预报精度对于自主定轨精度有着重要意义。针对利用动力学模型得到的预报轨道随时间推移精度衰减较快的问题,本... 详细信息

导航卫星的自主定轨是提高卫星导航系统生存能力的一个重要手段,在解决导航星座自主定轨中涉及到高精度的轨道预报,提高轨道预报精度对于自主定轨精度有着重要意义。针对利用动力学模型得到的预报轨道随时间推移精度衰减较快的问题,本文提出了一种改进北斗导航卫星中长期轨道预报精度的新方法。利用神经网络作为建立预报模型的工具,在动力学模型的基础上建立神经网络模型,通过对历史时刻预报误差的学习及训练,掌握其变化规律,再用于补偿和改进当前时刻的预报轨道,以达到提高预报精度的目的。本文制定了导航卫星轨道中长期预报方案,并利用实测数据进行了实验分析,结果表明,采用神经网络模型补偿预报轨道误差时,不同卫星在不同初始时刻下的改进效果是不同的。预报15d导航卫星的轨道精度由318m提高至19m,预报30d轨道精度由1 757m提高至49m。预报15d、30d轨道改进幅度分别为41%-80%、32%-88%。

关键词：北斗导航卫星自主定轨神经网络轨道预报数值滤波平滑