星上軟件對地面站坐標(biāo)短時(shí)間預(yù)報(bào)算法及精度評(píng)估

蔣虎,鄧?yán)?/p>

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203;2.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201203;3.中科院上海高等研究院,上海 201203)

星上軟件對地面站坐標(biāo)短時(shí)間預(yù)報(bào)算法及精度評(píng)估

蔣虎1,2,3,鄧?yán)?,2,3

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203;2.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201203;3.中科院上海高等研究院,上海 201203)

為了實(shí)現(xiàn)星上自主對地面站姿態(tài)指向,通過軟件實(shí)現(xiàn)了GNSS接收機(jī)輸出地面站J2000坐標(biāo)的功能,文中給出了星上實(shí)現(xiàn)地面站坐標(biāo)預(yù)報(bào)算法。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，短時(shí)間預(yù)報(bào)后所得到的地面站位置精度可以滿足姿控分系統(tǒng)對地面站坐標(biāo)精度的應(yīng)用需求。

地面站;預(yù)報(bào)算法;精度評(píng)估

0 引 言

在衛(wèi)星對地面站精確指向過程中,衛(wèi)星星務(wù)計(jì)算機(jī)需要獲取J2000坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置信息和地面站的位置信息[1-3]。GNSS接收機(jī)給出的J2000坐標(biāo)系下地面站坐標(biāo)所對應(yīng)的時(shí)間都是整秒,而且給出的坐標(biāo)都是相對當(dāng)前時(shí)刻滯后1 s時(shí)間的。然而,星上姿控需要地面站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔是0.5 s,為了滿足姿控系統(tǒng)對地面站坐標(biāo)數(shù)據(jù)的需求,星務(wù)軟件必須對GNSS給出的地面站坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)處理。這里根據(jù)該需求給出了坐標(biāo)預(yù)報(bào)的算法,并對預(yù)報(bào)精度給出評(píng)估結(jié)果。

1 預(yù)報(bào)算法及精度評(píng)估

假定GNSS接收機(jī)給出的地面站坐標(biāo)的2個(gè)相鄰序列點(diǎn)A、B,序列點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(ta,xa,ya,za),B(tb,xb,yb,zb),利用線性模型進(jìn)行預(yù)報(bào)后,可以得到預(yù)報(bào)點(diǎn)C的坐標(biāo)(t,x,y,z)。

根據(jù)A、B兩點(diǎn)坐標(biāo),對C點(diǎn)進(jìn)行線性預(yù)報(bào)的規(guī)律,可以得到預(yù)報(bào)點(diǎn)c(t,x,y,z)的算法為

x-xb=[(xb-xa)/(tb-ta)]×(t-tb),

y-yb=[(yb-ya)/(tb-ta)]×(t-tb),

z-zb=[(zb-za)/(tb-ta)]×(t-tb,)

t=tb+delta(t),

(1)

其中,delta(t)為預(yù)報(bào)時(shí)間長度。

若序列點(diǎn)A,B相鄰間隔1 s(GNSS接收機(jī)給出的位置時(shí)間間隔就是1 s),即tb-ta=1.

那么存在下列預(yù)報(bào)規(guī)律:

1) 預(yù)報(bào)0.5 s的算法為

x=3/2×xb-1/2×xa,

y=3/2×yb-1/2×ya,

z=3/2×zb-1/2×za,

t=tb+0.5 s.

(2)

2) 預(yù)報(bào)1 s的算法如下:

x=2×xb-xa,

y=2×yb-ya,

z=2×zb-za,

t=tb+1 s.

(3)

3) 對于其他預(yù)報(bào)時(shí)間間隔情況下,預(yù)報(bào)通用公式為

(已經(jīng)利用tb-ta=1的約束條件):

x-xb=(xb-xa)×(t-tb),

y-yb=(yb-ya)×(t-tb),

z-zb=(zb-za)×(t-tb),

t=tb+delta(t),

(4)

其中,delta(t)為預(yù)報(bào)時(shí)間長度。

利用以上預(yù)報(bào)算法可以得到地面站位置預(yù)報(bào)值,這與GNSS正樣單機(jī)生成的測試數(shù)據(jù)比較后,得到因預(yù)報(bào)算法引入的地面站坐標(biāo)誤差情況如圖1～圖5和表1所示。

圖1 基于GNSS接收機(jī)定位給出的地面站數(shù)據(jù),1 s時(shí)間線性預(yù)報(bào)地面站位置引入的算法誤差

圖2 基于GNSS接收機(jī)定位給出的地面站數(shù)據(jù),2 s時(shí)間線性預(yù)報(bào)地面站位置引入的算法誤差

圖3 基于GNSS接收機(jī)定位給出的地面站數(shù)據(jù),3 s時(shí)間線性預(yù)報(bào)地面站位置引入的算法誤差

圖4 基于GNSS接收機(jī)定位給出的地面站數(shù)據(jù),4 s時(shí)間線性預(yù)報(bào)地面站位置引入的算法誤差

圖5 基于GNSS接收機(jī)定位給出的地面站數(shù)據(jù),5 s時(shí)間線性預(yù)報(bào)地面站位置引入的算法誤差

2015年某型號(hào)衛(wèi)星正樣軌道確認(rèn)測試期間,對地面站坐標(biāo)進(jìn)行了比較分析,得到的結(jié)果是:GNSS給出的J2000地面站坐標(biāo)與STK給出地面站坐標(biāo)差異在50m左右。可見,即使考慮了星上軟件對地面站坐標(biāo)進(jìn)行不大于5s的短時(shí)間外推而引入的誤差,星上軟件可以提供約60m左右精度的地面站坐標(biāo)。這可以滿足衛(wèi)星姿控系統(tǒng)對地面站坐標(biāo)精度的需求[1-3]。

表1 線性預(yù)報(bào)模型下,地面站位置因預(yù)報(bào)算法引入的誤差

2 結(jié)束語

GNSS接收機(jī)給出地面站J2000坐標(biāo)后,某型號(hào)衛(wèi)星星上地面站短時(shí)間預(yù)報(bào)將采用以上算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，短時(shí)間預(yù)報(bào)后所得到的地面站位置精度可以滿足姿控分系統(tǒng)對地面站坐標(biāo)精度的應(yīng)用需求。

[1] 梁延鵬,星地光通信ATP對準(zhǔn)特性仿真研究[D].合肥:中國科技大學(xué),2014:25-27.

[2] 亓波.量子通信光學(xué)地面站ATP關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:中國科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所),2014.

[3] 李曉峰,星地激光通信鏈路原理與技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

Space-Borne Software Algorithm for Short Interval Prediction of Site Coordinates and its Precision Assessment

JIANG Hu1,2,3,DENG Lei1,2,3

(1.ShanghaiEngineeringCenterforMicrosatellites,Shanghai201203,China;2.MicrosatellitesInnovationInstitute,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201203,China;3.ShanghaiAdvancedResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201203,China)

In order to realize autonomous attitude pointing of a spacecraft to a ground site, software has been designed to enable GNSS receiver to output the coordinates of S/C in J2000 reference system. The space-borne software algorithm is presented to predict the site coordinate. Simulation data analysis has shown that Space-borne software algorithm for short interval prediction of site coordinates can satisfy the requirements of attitude control subsystem of S/C in order to carry out precise site pointing.

Ground sites; prediction algorithm; precision assessment

2016-10-20

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.004

P228.4

1008-9268(2016)06-0017-03

蔣虎(1969-),男,博士,研究員,現(xiàn)主要研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星總體技術(shù),衛(wèi)星軌道分析與設(shè)計(jì)。

鄧?yán)?1976-),男,博士,副研究員,現(xiàn)主要研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星總體技術(shù),載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

聯(lián)系人：蔣虎E-mail:hh9999ca@163.com