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高精度卫星轨道预报算法设计与软件开发

高精度卫星轨道预报算法设计与软件开发

作者：张叶青哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

轨道预报作为航天技术的基础,在航天领域受到了广泛的应用。在复杂的太空环境中,卫星会受到多种复杂摄动力的影响。虽然这些摄动力相对于地球的中心引力来讲,较为偏小,但是卫星在这些摄动力长期影响下,轨道不可避免的会发生偏移,尤其对... 详细信息

轨道预报作为航天技术的基础,在航天领域受到了广泛的应用。在复杂的太空环境中,卫星会受到多种复杂摄动力的影响。虽然这些摄动力相对于地球的中心引力来讲,较为偏小,但是卫星在这些摄动力长期影响下,轨道不可避免的会发生偏移,尤其对于低轨卫星而言,会对其使用寿命产生影响。因此,为了对卫星在轨道中的运动情况进行分析,国内外产生了一系列航天器动力学仿真软件。在这种背景下,本文分别对非球形摄动,三体摄动,大气阻力摄动以及太阳光压摄动进行建模,完成卫星轨道动力学模型的建立。在此基础了,利用多种编程语言混合编程,完成软件的设计与开发。首先,总结了国内外航天动力学相关软件的发展,说明了发展航天动力学仿真软件对航天技术有力的推动作用;此外,针对轨道预报相关的算法,对轨道递推方法以及轨道动力学模型中的摄动力模型两方面的研究现状以及最近的研究成果进行总结与分析,明确了轨道预报在航天技术中的重要性。随后,对多种时间尺度与坐标系进行分析,通过各时间系统与坐标系之间的定义与关系,利用数学表达式描述各种时间系统与坐标系之间的转换关系。从而,完成摄动力模型在相同时间系统与坐标系下统一的基础。接着,通过对地球非球形摄动,日月三体摄动,大气阻力摄动以及太阳光压摄动的原理分别进行分析与建模,并以轨道根数的形式显示各个模型的仿真结果,将仿真结果与如今较为成熟的轨道动力学仿真软件进行比对,验证各模型的准确性,完成软件所需要的算法模型。最后,通过多种编程语言对软件进行开发。以C#,C/C++等语言完成软件的后端开发,HTML,CSS及Javascript完成软件的前端开发,并完成两者之间的交互。将卫星的所有摄动都进行考虑,进行仿真,验证软件在一定时间内的准确性。

关键词：轨道动力学摄动力模型轨道预报场景显示

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低轨空间目标轨道预报的精度改进及应用

低轨空间目标轨道预报的精度改进及应用

作者：苍中亚南京信息工程大学

学位级别：硕士

随着人类航天活动和空间探测技术的日益发展,空间目标的数目不断增长,对轨道预报和碰撞预警技术的研究越发重要。本项工作在TLE+SGP4轨道预报模型的基础上,研究低轨目标短期轨道预报的改进方法,同时提出一种空间目标危险交会的分析方法... 详细信息

随着人类航天活动和空间探测技术的日益发展,空间目标的数目不断增长,对轨道预报和碰撞预警技术的研究越发重要。本项工作在TLE+SGP4轨道预报模型的基础上,研究低轨目标短期轨道预报的改进方法,同时提出一种空间目标危险交会的分析方法。对轨道预报误差的分析表明,空间环境扰动是引起低轨目标较大误差的重要原因。本项工作提出一种通过空间环境参数修正阻力调制系数,从而改进低轨目标轨道预报的方案。该方案考虑了外推过程中空间环境扰动引起的大气密度响应,能够更准确的反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。构建神经网络模型,实现了基于F10.7、Ap的阻力调制系数补偿计算,结果表明神经网络模型能够及时地对空间环境进行响应;对于地磁扰动期更高时间精度的预报改进,考察了极光能量注入的应用,通过线性回归方法,建立了半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式。将该方案应用于不同年份、不同轨道高度目标的轨道预报中,平均而言,半长轴和位置的预报误差分别降低50%和30%左右。基于轨道预报的误差特征,提出了一种基于随机点模拟的空间目标碰撞概率计算方法。与传统方法相比,考虑了误差均值的影响,即误差椭球不再以预报位置为中心,结果表明最大时刻碰撞概率不再出现在预报的最近距离时刻。根据相对速度假设,进一步提供了过程碰撞概率的计算流程。在此基础上,设计了“空间碎片碰撞概率计算与预警系统”的基本算法,重点解决了轨道异常甄别、误差椭球参数生成、危险交会筛选、碰撞概率计算、解体模拟、安全发射窗口分析这六个系统关键问题。另外,本项工作进行了大气耦合效应中大气环流长期变化及电离层扰动的研究：使用小波分析和交叉小波的方法分析了江淮梅雨及西太平洋副热带高压对太阳活动因子的响应,结果表明太阳活动与江淮梅雨的相关性存在南北差异,北部呈现正相关而南部呈现负相关,西太副高指数与太阳黑子数也有较好的相关性,说明太阳活动影响地球气候可能存在太阳活动-西太副高-江淮梅雨这样一条过程链;使用滑动均值法研究了强对流期间电离层TEC的扰动,结果表明强对流期间考查点上空电离层TEC有异常增大现象,通过分析不同高度的垂直运动,探讨了对流层-电离层耦合的可能机制。

关键词：空间目标轨道预报碰撞概率空间环境

基于动力学轨道拟合的LEO卫星轨道预报精度分析

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全球定位系统 2018年第4期43卷 59-66页

作者：王友存郭金运夏要伟孔巧丽山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266590

轨道预报是地球探测卫星顺利执行科学任务的一个重要环节。为了实现对低轨卫星长弧段、高精度的轨道预报,文中运用动力学轨道拟合的方法进行轨道预报。选用GRACE-A卫星、HY-2A卫星和JASON-2卫星为例进行预报处理,分析了卫星的轨道高度... 详细信息

轨道预报是地球探测卫星顺利执行科学任务的一个重要环节。为了实现对低轨卫星长弧段、高精度的轨道预报,文中运用动力学轨道拟合的方法进行轨道预报。选用GRACE-A卫星、HY-2A卫星和JASON-2卫星为例进行预报处理,分析了卫星的轨道高度和拟合弧长对轨道预报结果的影响。结果表明,GRACE-A卫星预报4h和8h轨道的3DRMS分别优于3m和10m,HY-2A卫星和JASON-2预报4h轨道的3DRMS分别优于2dm和1dm,24h轨道预报结果3DRMS分别优于2.5m和2m.

关键词：低轨卫星轨道预报动力学拟合

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基于神经网络的混合模型轨道预报方法研究

基于神经网络的混合模型轨道预报方法研究

作者：董泽政南京航空航天大学

学位级别：硕士

轨道预报是实现航天任务的前提,提高轨道预报的精度对于轨道设计、跟踪监测、GPS导航定位等领域有着重要的实际意义。基于动力学模型的卫星轨道预报方法通过考虑卫星空间运动中的各种动力学因素,计算出卫星的运动状态,动力学模型的精度... 详细信息

轨道预报是实现航天任务的前提,提高轨道预报的精度对于轨道设计、跟踪监测、GPS导航定位等领域有着重要的实际意义。基于动力学模型的卫星轨道预报方法通过考虑卫星空间运动中的各种动力学因素,计算出卫星的运动状态,动力学模型的精度直接影响预报精度。由于空间动力学环境的高度复杂性及卫星本身各种参数的不确定性,动力学模型的精度受到限制,预报精度的提高比较困难。本文基于神经网络混合建模的思想提出一种新的卫星轨道预报方法,预报模型由动力学模型和神经网络模型混合而成。在训练过程中神经网络通过学习动力学模型轨道预报误差来掌握其变化规律,并在预报过程中为动力学模型预报提供补偿,以提高预报精度。课题的主要工作有: 1.地固系和地心惯性系之间高精度转化方案,包括岁差章动模型,自转模型和地球定向参数;2.卫星高精度轨道预报方案,包括动力学模型的分析和数值积分算法的研究;3.高精度的定轨方案,包括初轨确定和最优估计算法;4.神经网络训练算法和泛化能力提高方法;5.预报模型和预报方案。本文以GPS卫星作为研究对象,首先实现了对GPS卫星的精密轨道预报,然后对动力学模型预报误差的短期、长期特性进行了分析,在此基础上确定混合模型的两类预报方案:短期预报方案（2-3天）和中长期、长期预报方案（15天以上）。最后的仿真实验证明了混合模型的有效性,预报1天的绝对误差在0.5米附近,3天的预报改进效果优于70%,15-40天预报的改进效果优于50%。

关键词：卫星精密定轨轨道预报动力学模型神经网络混合建模

基于无源测量信息的非合作目标轨道预报算法研究

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基于无源测量信息的非合作目标轨道预报算法研究

作者：冯一博哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着人类社会的发展,空间资源已经成为各个国家争相开发探索的又一重要资源。在空间任务中,如何有效的对在轨航天器,特别是卫星中的非合作目标进行较为精密的轨道确定及导航已成为各个大国亟需解决的一个重要问题。在对这类空间非合作... 详细信息

随着人类社会的发展,空间资源已经成为各个国家争相开发探索的又一重要资源。在空间任务中,如何有效的对在轨航天器,特别是卫星中的非合作目标进行较为精密的轨道确定及导航已成为各个大国亟需解决的一个重要问题。在对这类空间非合作目标进行跟踪导航的过程中,使用天基设备具有极大的优势。本文研究了基于天基测量信息的非合作目标跟踪滤波及轨道预测的相关算法,主要进行了以下几个方面的工作:首先总结了国内外卫星轨道预测技术和跟踪滤波算法的研究现状,分析了轨道动力学及相对运动模型,建立了描述卫星相对运动的C-W、T-H方程,并讨论了上述方程的误差来源和适用度问题。针对非合作目标的天基观测问题,分析了测量元件的特性,建立了系统的观测方程,给出了目标及平台需满足的观测条件。然后为了提高算法的收敛速度及计算准确度,研究了基于测量信息的轨道预处理算法。观测的数据经过预处理算法后,其结果可以作为导航算法的迭代初值,以提高导航精度及算法收敛速度。在此基础上,研究了基于EKF的非合作目标轨道预报算法,分析了多种工况下不同参数对算法精度的影响情况。其次,为了进一步提高滤波精度,分别研究了UKF及PF的天基测量信息的空间非合作目标轨道预测算法。分析了UKF和PF的原理,进行了轨道预报算法的设计,并对算法进行了仿真对比分析。最后针对粒子滤波中存在的粒子退化及贫化现象,研究了基于萤火虫群优化的粒子滤波轨道预测算法设计问题。分析了萤火虫算法的原理,用萤火虫的行为模拟粒子的优化过程,通过这种改进来缓解标准粒子滤波本身所具有的缺陷,通过仿真验证其效果要优于普通粒子滤波,可以有效提高轨道计算精度。

关键词：非合作目标非线性滤波相对导航轨道预报

太阳光压模型中面质比误差对IGSO卫星轨道预报的影响分析

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天文研究与技术 2013年第2期10卷 152-155页

作者：蒋虎上海微小卫星工程中心上海201203 中科院上海微系统与信息技术研究所上海200050

太阳光压是影响高轨卫星轨道精密确定的主要因子之一,这种摄动的有效模制将进一步改进卫星轨道的预报精度。主要对太阳光压模型中面质比误差对地球倾斜同步轨道卫星轨道预报的影响进行了分析。20%面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道... 详细信息

太阳光压是影响高轨卫星轨道精密确定的主要因子之一,这种摄动的有效模制将进一步改进卫星轨道的预报精度。主要对太阳光压模型中面质比误差对地球倾斜同步轨道卫星轨道预报的影响进行了分析。20%面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星位置预报影响仿真结果显示:一天内前16 h,x、z分量的预报误差幅度相对较小,y分量误差相对较大;一天内最后8 h,x、y、z各分量误差发散明显,但z分量的误差发散程度较大。20%面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星速度预报影响仿真结果显示,一天内,x、y、z各分量的预报误差幅度不超过1 mm/s。

关键词：太阳光压轨道预报仿真

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基于深度神经网络补偿模型的轨道预报技术

基于深度神经网络补偿模型的轨道预报技术

作者：曹磊南京航空航天大学

学位级别：硕士

卫星轨道预报是卫星应用研究的基础。建立高精度的卫星轨道预报模型对于提高卫星导航定位精度、增强卫星星座自主导航能力以及空间交会对接等航天任务的完成都有重要的意义。本文研究了提高卫星轨道预报精度的方法，主要研究内容和创新... 详细信息

卫星轨道预报是卫星应用研究的基础。建立高精度的卫星轨道预报模型对于提高卫星导航定位精度、增强卫星星座自主导航能力以及空间交会对接等航天任务的完成都有重要的意义。本文研究了提高卫星轨道预报精度的方法，主要研究内容和创新点如下： 1、建立了精度为米级的导航卫星动力学模型，分析了摄动力对导航卫星轨道预报的影响。建立了适合GPS导航卫星的动力学模型预报方案，进行了短期和长期预报仿真，对仿真结果进行了分析。 2、研究了深度神经网络的拓扑结构及其训练算法，给出了训练算法原理图。受限玻尔兹曼机是深度神经网络的基石，训练的关键步骤是对模型的采样。分析了三种基于马尔可夫链蒙特卡洛采样算法和受限玻尔兹曼机的结构特性，将最适用于受限玻尔兹曼机结构特性的blockedGibbs采样算法用在仿真中。 3、基于动力学模型预报误差的特性，建立了基于深度神经网络的补偿混合模型。以GPS导航卫星为对象，分别采用BP网络和深度神经网络对预报误差进行建模并进行了预报对比仿真实验，仿真结果表明基于BP网络的补偿混合模型主要补偿了预报误差中的长期发散项，而基于深度神经网络的补偿混合模型不仅补偿了长期发散项还对反应空间环境特性的周期项有较佳的补偿效果。

关键词：轨道预报深度神经网络混合模型周期项发散项

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空间非合作目标轨道预报与接近段协同控制

空间非合作目标轨道预报与接近段协同控制

作者：韩飞哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着人类对太空探索能力的不断增强,在轨运行航天器数目急剧增加,当这些航天器超过服务期,作为失效航天器将成为太空垃圾或碎片。空间碎片的累积将给航天器的寿命和安全带来威胁,为更好的利用有限的近地资源,航天科学领域衍生出空间碎... 详细信息

随着人类对太空探索能力的不断增强,在轨运行航天器数目急剧增加,当这些航天器超过服务期,作为失效航天器将成为太空垃圾或碎片。空间碎片的累积将给航天器的寿命和安全带来威胁,为更好的利用有限的近地资源,航天科学领域衍生出空间碎片主动清除这一课题。为推进空间碎片主动清除的工程应用,增强航天器在轨运行环境的稳定与安全,本文对空间碎片清理中微小非合作目标的相对接近导航控制方法展开了研究,采用Grace、Swiss Cube等在轨卫星,通过仿真实验对非合作目标轨道确定与检测策略和目标姿态同步等方面展开分析。在非合作目标轨道预报及检测跟踪策略方面,分别采用Grace和Swiss Cube卫星研究基于TLE文件的非合作目标轨道确定的不确定性,从而考察目标轨道的不确定性情况下的跟踪探测策略。在TLE轨道文件不确定性分析方面,首先权衡轨道力学模型的精度与外推计算效率,分析不同摄动力下的轨道动力学模型,比较不同时间、摄动动力学模型与基本HPOP动力学模型的差异,确定分析Grace和Swiss Cube卫星所采用的力学模型。采用GPS数据与弧段重叠两评估方法分别对基于TLE文件的轨道预报精度进行评估,由此分析在对于无法获得GPS的卫星轨道时,基于弧段重叠方法对TLE轨道预报误差的分析性能,从而获得TLE预报轨道的统计特性。而后,根据得到的非合作目标的轨道统计特性,将目标的位置视为给定概率密度分布函数的空间椭球体,利用蒙特卡洛仿真分析方法,探究追踪航天器与目标同轨、高轨以及低轨三种不同相对位置下对目标的观测能力,以此给出追踪卫星在目标检测中的优化初始相对轨道方案。在非合作目标的最终接近与目标姿态同步方面,空间碎片清理中采用机械臂、鱼叉等刚性捕获方式时为了避免危险需对姿态进行一定同步。对空间碎片主动移除中非合作目标捕获阶段涉及的姿态同步问题展开探索,讨论目标不同姿态自旋稳定和失稳翻滚情况下,追踪卫星姿态同步消耗的能量、反作用飞轮的最大力矩以及飞轮饱和时的角动量的需求。论证了姿态同步过程中,姿态旋转过快时会消耗大量能量进行同步,且对反作用飞轮和尺寸的要求也更大,使得基于机械臂或鱼叉的失稳翻滚目标的捕获代价过大。实验结果为太空碎片主动清除中的姿态同步、捕获等方案提供参考。

关键词：空间碎片清除非合作目标轨道预报探测策略协同控制

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摄动对航天器轨道预报影响与插值预报分析

摄动对航天器轨道预报影响与插值预报分析

作者：陈柯帆哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着我国航天技术迅速发展,在交会对接、空间碎片轨道预报和空间飞行器测控等空间活动中,轨道预报技术越来越重要。在实际空间环境中,飞行器会受到各种摄动力的影响使飞行器偏离理想轨道。因此进行航天器轨道预报时,研究分析航天器所受... 详细信息

随着我国航天技术迅速发展,在交会对接、空间碎片轨道预报和空间飞行器测控等空间活动中,轨道预报技术越来越重要。在实际空间环境中,飞行器会受到各种摄动力的影响使飞行器偏离理想轨道。因此进行航天器轨道预报时,研究分析航天器所受各种摄动因素影响尤为重要。而轨道预报的精确性保障前提是对航天器动力学的精准建模。在上述背景下,本文针对摄动因素影响情况复杂的问题,提出了分别对地球的不同高度的环绕轨道根据不同种类摄动因素对航天器轨道的影响分析并进行轨道预报;针对提高航天器预报轨道精度与速度问题,提出了数值插值法与基于RBF神经网络改进的RBF插值方法应用于轨道动力学建模。主要完成以下几个方面工作内容:详述了航天器在绕地运行过程中受到的摄动因素,以一种航天器轨道参数为例,对不同摄动因素进行数学模拟仿真;针对多种摄动因素进行特性分析,为摄动因素影响分析提供理论依据。由于不同高度的在轨航天器受摄动因素影响不同,采用Runge-Kutta积分法计算航天器参考轨道的初轨参数;通过模拟仿真得到航天器轨道预报的位置误差并进行影响分析。对比航天器在不同摄动力作用下的位置偏移,确定其所受摄动因素的影响大小。针对提高航天器动力学建模效率问题,采用数值插值法对获取的参考轨道进行精度校核,在获得大步长的积分轨道后,通过对轨道模型插值后的轨道与参考轨道比较,优化提高航天器了轨道建模的速度。研究分析多种数值插值方法对建立航天器预报轨道的正确性与有效性,同时扩大采样时间验证数值插值法对航天器轨道建模的适应性。针对提高航天器动力学建模精度问题,设计基于RBF神经网络的插值法进行航天器轨道混合建模。在大数据集采样时间长的条件下,通过模拟仿真证明了RBF模型插值法的正确性与精确性。通过比较RBF插值轨道、数值插值轨道的位置误差仿真与运行时间比较,进一步验证了RBF模型插值法相对于其他数值插值法的优异性。

关键词：摄动轨道预报数值积分方法轨道插值预报 RBF神经网络