基于STM32低軌衛星軌道預報系統研究與設計

何建 曠小兵

【摘要】 ? ?在低軌衛星過頂時間段內，衛星地面站根據軌道預報完成自動跟蹤才能實現與衛星通信。針對軌道預報需要，提出了一種基于STM32單片機衛星軌道預報系統平臺。將軌道預報算法進行了嵌入式軟件設計，滿足于在STM32單片機上運行。該設計在保證軌道預報精度情況下，系統平臺較傳統的軌道預報方法實用性強，簡化預報程序和相應的上位機軟件， 提高預報效率。

【關鍵詞】 ? ?軌道預報 ? ?數值積分 ? ?衛星軌道根數 ? ?STM32單片機

引言

在低軌衛星過頂這段時間內，衛星地面站處于低軌衛星天線波束覆蓋范圍內，過頂預報用到的軌道預報算法十分復雜。大都是采用上位機軟件進行過頂預報，再將預報結果下發給衛星地面站。這樣以來，過頂預報需要人為操作，而且容易出錯，預報實時性不高。

為此，本文提出了一種基于STM32低軌衛星軌道預報系統，該系統位于衛星地面站內，只需要將預報衛星軌道根數下發給該系統就能進行實時預報，操作簡單、長時間全天候預報，不需要人為干預。

一、系統硬件電路設計

系統硬件電路包括：單片機電路、FLASH存儲電路、GPS接收電路、串口接口電路等組成。系統電路框圖如圖1所示。

該電路以單片機STM32F429ZTI6為核心，主要用于控制整個系統的運行以及星歷解算的實現;FLASH存儲電路主要用于存儲計算章動時需要的DE405星歷數據，計算極移和地球自轉角時需要的EOP數據，將這些外部數據從得到的原始數據中提取出來，存放在二進制文件中，以提高計算程序的效率;GPS接收電路主要用于接收地面站的位置、速度和時間信息;串口接口電路主要用于將衛星軌道預報結果輸出給地面站，接收衛星軌道根數的輸入。

二、系統軟件設計

系統軟件能夠根據預先設定的軌道參數實時計算出衛星在WGS-84坐標系下的經度、緯度和高度，結合地面站位置坐標，計算出地面站天線指向衛星的方位角和俯仰角。

2.1數值積分

Cowell法是求解航天器運動微分方程時最為簡單的數值積分算法——它直接對運動方程在J2000.0赤道慣性坐標系中的分量形式進行數值積分：

式中：

μ——地球引力常數;

fx、fy、fz——分別為三軸攝動加速度，主要包括地球形狀攝動、大氣阻力攝動、日月攝動、太陽光壓攝動。

2.2地面站天線指向

地面站指向衛星的矢量s在WGS-84坐標系中表示為：

其中：表示衛星在WGS-84坐標系中的位置坐標

表示地面站在WGS-84坐標系中的位置坐標

地面站指向衛星的矢量s在“北-天-東”坐標系中表示為：

地面站指向衛星的矢量s在地面站天線本體坐標系中表示為：

地面站天線俯仰角

地面站天線方位角

2.3系統流程設計

結合衛星軌道預報的輸入參數，用單步法起步，開始進行軌道積分并依次計算衛星星歷，使用Cowell 數值積分器軌道預報，整個衛星軌道預報具體流程見圖2所示。

三、系統驗證與分析

3.1 輸入數據

以低軌衛星為驗證對象，使用美國AGI公司開發的STK（Satellite Tool Kit，衛星工具包）中的HPOP（High Precision Orbit Propagator，高精度軌道預報）模型為驗證基準。衛星軌道根數采用表1所示。

3.2計算結果及誤差分析

如圖3所示，STK與STM32計算的方位角與俯仰角預報值進行對比分析可知，在低軌衛星過頂時間段內，當低軌衛星進入可視范圍，方位角180度時方位誤差最小為0.2×10-3，俯仰角33度時誤差最大為+0.5×10-3;當低軌衛星經過頭頂，方位角250度時方位誤差最大為2.2×10-3，俯仰角68度時誤差最小為0;當低軌衛星離開可視范圍，方位角340度時方位誤差最大為2.2×10-3，俯仰角33度時誤差在-0.5×10-3。方位角誤差在10-3數量級，俯仰角誤差在10-3數量級，誤差范圍很小，滿足低軌衛星跟蹤需要。

如圖4所示，STK與STM32計算的經度、緯度、高度進行對比分析可知，在低軌衛星過頂時間段內，經度誤差在10-5數量級，緯度誤差在10-4數量級，高度誤差在0.1米以內，誤差范圍很小，滿足低軌衛星跟蹤需要。

四、結束語

本文設計了一種基于STM32低軌衛星預報系統平臺，通過與STK軟件中HPOP模型衛星預報數據進行對比分析。分析結果表明，計算結果與STK軟件星歷預報結果偏差較小，能夠滿足空間低軌衛星軌跡預報的精度要求。本系統平臺較傳統的軌道預報方法實用性強，簡化預報程序和相應的上位機軟件， 提高預報效率?？蓱糜诘孛嫘l星站跟蹤衛星目標的需要。

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