蔣虎,鄧?yán)?余金培

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

0　引　言

空間飛行器在空間飛行時(shí)保持各種飛行姿態(tài),以滿足空間飛行器上的有效載荷完成不同任務(wù)目標(biāo)[1]。例如,為了將飛行器上的科學(xué)數(shù)據(jù)下傳給地面數(shù)傳站,飛行器通常采用對(duì)地心指向的姿態(tài)模式,另外,地球同步通信衛(wèi)星也經(jīng)常采用對(duì)地心指向的姿態(tài)模式[2];對(duì)太陽(yáng)等恒星目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè),飛行器一般會(huì)采用慣性或準(zhǔn)慣性指向的姿態(tài)模式;對(duì)繞地球運(yùn)動(dòng)的另一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)時(shí),飛行器將采用對(duì)目標(biāo)跟蹤指向的姿態(tài)模式;對(duì)地面站進(jìn)行凝視觀測(cè)時(shí),飛行器將采用對(duì)地面站指向的姿態(tài)模式。本文著重對(duì)地面站指向的姿態(tài)模式進(jìn)行研究。以量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星為例,這里提出了對(duì)地面站指向模式下的兩種實(shí)現(xiàn)方案,同時(shí)對(duì)多個(gè)相關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣的影響量級(jí)進(jìn)行了仿真評(píng)估。以兩種指向?qū)崿F(xiàn)方案互為備份,這將大大提高飛行器姿控系統(tǒng)對(duì)地面站指向的可靠度,有利于該種姿態(tài)指向模式的有效實(shí)現(xiàn)。

1　對(duì)地面站指向?qū)崿F(xiàn)方案分析

對(duì)地面站指向模式下,指向引導(dǎo)律設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于給出在J2000坐標(biāo)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(jī)來(lái)給出或者由星上簡(jiǎn)化預(yù)報(bào)程序來(lái)給出,提供給飛行器平臺(tái)的姿態(tài)控制使用。地面站坐標(biāo)通常是以地固系坐標(biāo)形式給出的。這就涉及到地固系與J2000坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換[3-4]。

1.1　地固系下位置矢量描述

地面站坐標(biāo)通常由經(jīng)度λ、緯度φ、高程h來(lái)描述。而不同坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換時(shí)通常采用直角坐標(biāo)形式來(lái)進(jìn)行。在地固系里,地面站的直角坐標(biāo)(x,y,z)與地面站的經(jīng)度、緯度、高程(λ,φ,h)之間的關(guān)系為

(1)

式中：

S=C(1-f)2，

f為參考橢球橢率，a為橢球半長(zhǎng)軸。

1.2　J2000慣性系下位置矢量描述

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

(2)

聯(lián)系人: 蔣虎 E-mail: hh9999ca@163.com

xp,yp分別為極移分量;

S0為格林尼治恒星時(shí);

Δμ,Δθ,Δε分別為赤經(jīng)章動(dòng)、赤緯章動(dòng)、交角章動(dòng);

zA,θA,ξA為赤道歲差角;

公式中涉及的赤經(jīng)章動(dòng)、赤緯章動(dòng)、交角章動(dòng)、赤道歲差角、格林尼治恒星時(shí)、極移分量等參量的表達(dá)式參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[3]。

通過(guò)以上公式轉(zhuǎn)換后,可以得到J2000坐標(biāo)系下地面站的位置直角坐標(biāo),再利用星載GNSS接收機(jī)提供的J2000坐標(biāo)系下飛行器位置直角坐標(biāo),可以得到地面站相對(duì)于飛行器的相對(duì)位置坐標(biāo)。該相對(duì)位置矢量可以作為姿態(tài)控制指向約束。圖1和圖2給出了歲差和章動(dòng)對(duì)飛行器位置影響的初步評(píng)估。圖3示出了地球自轉(zhuǎn)及極移對(duì)飛行器位置影響。

J2000與WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)主要涉及歲差、章動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)和極移等轉(zhuǎn)換矩陣。對(duì)于距離2000年較遠(yuǎn)的時(shí)間歷元,必須考慮歲差的影響;某科學(xué)實(shí)驗(yàn)飛行器計(jì)劃于2015年發(fā)射,這距離2000年有15年的歷元差,從圖1可以看出,15年時(shí)間歲差的影響最大達(dá)到27 km左右,因此應(yīng)該考慮歲差因素。從圖2看,章動(dòng)的影響相對(duì)較小,為百米量級(jí),最多不超過(guò)300 m;盡管章動(dòng)的影響相對(duì)較小,但對(duì)于需要高精度跟瞄的某科學(xué)實(shí)驗(yàn)而言,章動(dòng)也是必須予以考慮的影響因素之一;圖3仿真結(jié)果顯示:地球自轉(zhuǎn)的影響可以達(dá)到數(shù)千甚至10 000 km, 可見(jiàn),地球自轉(zhuǎn)是主要的影響因素,坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)地球自轉(zhuǎn)因素是必須予以考慮的。

考慮到地球板塊運(yùn)動(dòng)、固體潮等效應(yīng),地面站存在某種程度上的站坐標(biāo)誤差,通?？梢栽诘孛嬲疚恢萌至恐屑? cm的隨機(jī)誤差來(lái)加以考慮。地面站位置三分量各加5 cm的隨機(jī)誤差對(duì)J2000坐標(biāo)系下站位置的影響可以達(dá)到約2.4 m左右,如圖4所示。由于星上GNSS接收機(jī)本身的定位精

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

對(duì)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(xiàng)的章動(dòng)項(xiàng),歲差模型采用IAU1980模型,極移和地球自轉(zhuǎn)采用列表法或15參數(shù)法來(lái)實(shí)現(xiàn), 列表法中列表數(shù)據(jù)更新周期為3個(gè)月上注一次。一般情況下,在星載GNSS接收機(jī)上所采用的軟件算法,從WGS-84→2000轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生分米級(jí)的誤差。GNSS接收機(jī)星上定位精度可以達(dá)到10 m量級(jí),可以滿足一般飛行器對(duì)位置精度要求。地面站坐標(biāo)自WGS-84至J2000的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作可以安排在星載GNSS接收機(jī)模塊中來(lái)完成。這樣,基于預(yù)先注入的WGS-84站坐標(biāo)數(shù)據(jù),星載GNSS接收機(jī)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理后給出J2000站坐標(biāo)數(shù)據(jù),供姿控系統(tǒng)對(duì)地面站指向時(shí)所需的J2000坐標(biāo)系下地面站坐標(biāo)數(shù)據(jù)?；贘2000坐標(biāo)系下的地面站坐標(biāo)及飛行器位置,可以進(jìn)而得到站-星矢量。該矢量可以作為飛行器姿態(tài)控制指向?qū)бs束。

對(duì)地面站指向解決方案二:

另外,作為備份方案,可以通過(guò)地面站處理終端來(lái)事先完成地面站坐標(biāo)自WGS-84至J2000坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換工作,從而將J2000坐標(biāo)系下的地面站坐標(biāo)數(shù)據(jù)提前若干軌時(shí)間注入飛行器,供姿控系統(tǒng)對(duì)地面站指向時(shí)使用,飛行器本身的J2000坐標(biāo)數(shù)據(jù)仍然由GNSS接收機(jī)給出。由于需要將預(yù)報(bào)好的地面站J2000坐標(biāo)數(shù)據(jù)上注飛行器,因而需要有合適的地面站來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)注入。以國(guó)內(nèi)7個(gè)有代表性測(cè)站為例,即測(cè)站1、測(cè)站2、測(cè)站3、測(cè)站4、測(cè)站5、測(cè)站6、測(cè)站7等,圖5示出了5°以上觀測(cè)仰角情況下,一周時(shí)間內(nèi)可供地面站J2000坐標(biāo)數(shù)據(jù)上注的候選時(shí)段。

從飛行器過(guò)境所選取的7個(gè)測(cè)站時(shí)段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,每次可供數(shù)據(jù)注入的平均時(shí)間約為483 s, 最長(zhǎng)時(shí)間619 s,最短時(shí)間83 s.

2　結(jié)束語(yǔ)

基于地固系、J2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,對(duì)某科學(xué)實(shí)驗(yàn)飛行器的J2000坐標(biāo)系下站星相對(duì)矢量構(gòu)建的過(guò)程給出初步分析,并提出了對(duì)地面站指向的兩種可行實(shí)現(xiàn)方案。以兩種指向?qū)崿F(xiàn)方案互為備份,這將大大提高飛行器姿控系統(tǒng)對(duì)地面站指向的可靠度,有利于該種姿態(tài)指向模式的有效實(shí)現(xiàn)。

[1]章仁為.衛(wèi)星軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制 [M].北京:中國(guó)宇航出版社,1998.

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

[3]劉林.人造地球衛(wèi)星軌道力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1992.

[4]劉林.人造地球衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)理論[M].北京:科學(xué)出版社,1974.