量子科學實驗衛星對地面站高精度指向解決方案

蔣虎,鄧雷,余金培

(1.上海微小衛星工程中心,上海 201203)(2.中科院微小衛星創新研究院,上海 201203)

0　引　言

空間飛行器在空間飛行時保持各種飛行姿態,以滿足空間飛行器上的有效載荷完成不同任務目標[1]。例如,為了將飛行器上的科學數據下傳給地面數傳站,飛行器通常采用對地心指向的姿態模式,另外,地球同步通信衛星也經常采用對地心指向的姿態模式[2];對太陽等恒星目標進行觀測,飛行器一般會采用慣性或準慣性指向的姿態模式;對繞地球運動的另一目標進行觀測時,飛行器將采用對目標跟蹤指向的姿態模式;對地面站進行凝視觀測時,飛行器將采用對地面站指向的姿態模式。本文著重對地面站指向的姿態模式進行研究。以量子科學實驗衛星為例,這里提出了對地面站指向模式下的兩種實現方案,同時對多個相關狀態轉換矩陣的影響量級進行了仿真評估。以兩種指向實現方案互為備份,這將大大提高飛行器姿控系統對地面站指向的可靠度,有利于該種姿態指向模式的有效實現。

1　對地面站指向實現方案分析

對地面站指向模式下,指向引導律設計關鍵在于給出在J2000坐標系里,飛行器和地面站的位置矢量。飛行器的位置矢量可以由星載GNSS接收機來給出或者由星上簡化預報程序來給出,提供給飛行器平臺的姿態控制使用。地面站坐標通常是以地固系坐標形式給出的。這就涉及到地固系與J2000坐標系之間的轉換[3-4]。

1.1　地固系下位置矢量描述

地面站坐標通常由經度λ、緯度φ、高程h來描述。而不同坐標系之間轉換時通常采用直角坐標形式來進行。在地固系里,地面站的直角坐標(x,y,z)與地面站的經度、緯度、高程(λ,φ,h)之間的關系為

(1)

式中：

S=C(1-f)2，

f為參考橢球橢率，a為橢球半長軸。

1.2　J2000慣性系下位置矢量描述

設J2000慣性系下地面站位置坐標為(X,Y,Z),那么(x,y,z)與(X,Y,Z)存在如下關系:

(2)

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xp,yp分別為極移分量;

S0為格林尼治恒星時;

Δμ,Δθ,Δε分別為赤經章動、赤緯章動、交角章動;

zA,θA,ξA為赤道歲差角;

公式中涉及的赤經章動、赤緯章動、交角章動、赤道歲差角、格林尼治恒星時、極移分量等參量的表達式參見相關文獻[3]。

通過以上公式轉換后,可以得到J2000坐標系下地面站的位置直角坐標,再利用星載GNSS接收機提供的J2000坐標系下飛行器位置直角坐標,可以得到地面站相對于飛行器的相對位置坐標。該相對位置矢量可以作為姿態控制指向約束。圖1和圖2給出了歲差和章動對飛行器位置影響的初步評估。圖3示出了地球自轉及極移對飛行器位置影響。

J2000與WGS-84坐標系轉換時主要涉及歲差、章動、地球自轉和極移等轉換矩陣。對于距離2000年較遠的時間歷元,必須考慮歲差的影響;某科學實驗飛行器計劃于2015年發射,這距離2000年有15年的歷元差,從圖1可以看出,15年時間歲差的影響最大達到27 km左右,因此應該考慮歲差因素。從圖2看,章動的影響相對較小,為百米量級,最多不超過300 m;盡管章動的影響相對較小,但對于需要高精度跟瞄的某科學實驗而言,章動也是必須予以考慮的影響因素之一;圖3仿真結果顯示:地球自轉的影響可以達到數千甚至10 000 km, 可見,地球自轉是主要的影響因素,坐標系轉換時地球自轉因素是必須予以考慮的。

考慮到地球板塊運動、固體潮等效應,地面站存在某種程度上的站坐標誤差,通常可以在地面站位置三分量中加5 cm的隨機誤差來加以考慮。地面站位置三分量各加5 cm的隨機誤差對J2000坐標系下站位置的影響可以達到約2.4 m左右,如圖4所示。由于星上GNSS接收機本身的定位精

度為10 m量級,因此地固系下地面站5 cm的隨機誤差引起的J2000坐標系下站位置變化是可以接受的。

對地面站指向解決方案一:

目前,星上軟件算法中一般已考慮了全部106項的章動項,歲差模型采用IAU1980模型,極移和地球自轉采用列表法或15參數法來實現, 列表法中列表數據更新周期為3個月上注一次。一般情況下,在星載GNSS接收機上所采用的軟件算法,從WGS-84→2000轉換時會產生分米級的誤差。GNSS接收機星上定位精度可以達到10 m量級,可以滿足一般飛行器對位置精度要求。地面站坐標自WGS-84至J2000的坐標轉換工作可以安排在星載GNSS接收機模塊中來完成。這樣,基于預先注入的WGS-84站坐標數據,星載GNSS接收機經坐標轉換處理后給出J2000站坐標數據,供姿控系統對地面站指向時所需的J2000坐標系下地面站坐標數據。基于J2000坐標系下的地面站坐標及飛行器位置,可以進而得到站-星矢量。該矢量可以作為飛行器姿態控制指向導引約束。

對地面站指向解決方案二:

另外,作為備份方案,可以通過地面站處理終端來事先完成地面站坐標自WGS-84至J2000坐標的轉換工作,從而將J2000坐標系下的地面站坐標數據提前若干軌時間注入飛行器,供姿控系統對地面站指向時使用,飛行器本身的J2000坐標數據仍然由GNSS接收機給出。由于需要將預報好的地面站J2000坐標數據上注飛行器,因而需要有合適的地面站來支持數據注入。以國內7個有代表性測站為例,即測站1、測站2、測站3、測站4、測站5、測站6、測站7等,圖5示出了5°以上觀測仰角情況下,一周時間內可供地面站J2000坐標數據上注的候選時段。

從飛行器過境所選取的7個測站時段數據統計表明,每次可供數據注入的平均時間約為483 s, 最長時間619 s,最短時間83 s.

2　結束語

基于地固系、J2000坐標系的轉換關系,對某科學實驗飛行器的J2000坐標系下站星相對矢量構建的過程給出初步分析,并提出了對地面站指向的兩種可行實現方案。以兩種指向實現方案互為備份,這將大大提高飛行器姿控系統對地面站指向的可靠度,有利于該種姿態指向模式的有效實現。

[1]章仁為.衛星軌道姿態動力學與控制 [M].北京:中國宇航出版社,1998.

[2]孫寶祥,李鐵壽. 三軸穩定通信衛星在地球指向模式下的陀螺標定[M].航天控制,1994(3):64-68

[3]劉林.人造地球衛星軌道力學[M].北京:高等教育出版社,1992.

[4]劉林.人造地球衛星運動理論[M].北京:科學出版社,1974.