基于阻力参数估计的低轨卫星轨道确定与预报

论文摘要

低轨卫星轨道动力学模型是其轨道确定和预报的根本,其中大气阻力模型的不确定性导致很难较好的对低轨卫星进行轨道确定与预报。针对这一问题,本文从大气阻力建模的问题出发,取得了以下研究成果:首先,根据自由分子流学说,建立了大气阻力和大气升力的数学模型,并对大气阻力模型中的不确定性因素进行了深入的分析。然后,针对有效迎风面积的精确计算问题,引入微元划分的思想,提出了微元中心距离准则方案、正方形微元准则方案和迎风面积包络微元法,并分析了前两种方案的关键点和实现难点,对迎风面积包络微元法进行了详细的阐述,通过仿真计算得到,其计算精度可达99.9%以上,从而有效地解决了具有规则表面的卫星有效迎风面积的精确计算问题。接着,针对星载GPS接收机有测量数据的情况,研究了基于EKF的参数估计法的轨道确定方案,并通过仿真得到其定轨精度为0.6m。并针对大气密度的复杂性和有效迎风面积精确计算的计算量大而导致大气阻力的计算复杂问题,提出了大气阻力等效模型方案,分析了作用在卫星上的大气阻力的变化规律,基于大气阻力的变化规律,建立了大气阻力的等效模型(由常值部分和周期变化部分构成)。在此基础之上,研究了基于EKF的等效阻力参数估计法的轨道确定方案,通过仿真得到,其定轨精度为0.8m,这种方法比较适用于在轨实时计算。基于以上的研究结果,提出了大气阻力模型的修正方案,并根据轨道确定的结果,对大气阻力模型和大气阻力等效加速度模型进行了修正。在此基础上,研究了利用修正后的大气阻力模型进行轨道预报的问题,通过仿真得到,基于阻力系数估计法的轨道预报方案有着较好的预报精度,对卫星进行半天的轨道预报,其位置预报误差在1.2km以内。并分析了基于阻力等效参数估计法预报精度较低的原因,对此提出了相应的提高轨道预报精度的解决方案。最后,对基于阻力系数估计法和等效阻力参数估计法的轨道确定与预报方案进行了详细的比较。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究目的、意义
• 1.2 国内外在该领域的研究现状
• 1.2.1 低轨卫星轨道确定的研究
• 1.2.2 卡尔曼滤波理论在工程应用中的问题
• 1.2.3 低轨卫星轨道预报的研究
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 基于自由分子流学说的大气阻力建模
• 2.1 低轨卫星轨道动力学模型
• 2.2 大气阻力建模
• 2.2.1 阻留模式
• 2.2.2 阻尼改进模式
• 2.2.3 大气密度模型
• 2.2.4 阻力系数
• 2.3 本章小结
• 第3章 卫星有效迎风面积的精确计算
• 3.1 微元划分思想的引入
• 3.2 微元中心距离准则方案
• 3.3 正方形微元判断准则方案
• 3.4 迎风面积包络微元法
• 3.4.1 确定卫星各个表面再中心投影坐标系下的边界条件
• 3.4.2 确定卫星迎风面积的包络面
• 3.4.3 有效迎风面积微元的确定
• 3.4.4 规则表面形状卫星的有效迎风面积的具体计算过程
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于EKF的参数估计法轨道确定
• 4.1 低轨卫星轨道确定理论
• 4.1.1 卫星跟踪观测量
• 4.1.2 星载GPS接收机观测方程
• 4.1.3 轨道改进原理
• 4.1.4 广义卡尔曼滤波（EKF）原理
• 4.2 基于EKF算法的轨道确定
• 4.2.1 基于EKF的阻力系数估计法轨道确定
• 4.2.2 基于EKF的等效阻力参数估计法轨道确定
• 4.3 轨道确定的误差分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于大气阻力修正模型的轨道预报
• 5.1 低轨卫星的轨道预报方法
• 5.1.1 分析方法
• 5.1.2 数值积分法
• 5.1.3 半分析方法
• 5.2 大气阻力模型的修正方案
• 5.3 基于轨道动力学修正模型的轨道预报
• 5.3.1 基于阻力系数估计法的轨道预报
• 5.3.2 基于等效阻力参数估计法的轨道预报
• 5.4 阻力系数估计法和等效阻力参数估计法的综合比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢