何建 曠小兵

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

【關(guān)鍵詞】 ? ?軌道預(yù)報 ? ?數(shù)值積分 ? ?衛(wèi)星軌道根數(shù) ? ?STM32單片機

引言

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

為此，本文提出了一種基于STM32低軌衛(wèi)星軌道預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)位于衛(wèi)星地面站內(nèi)，只需要將預(yù)報衛(wèi)星軌道根數(shù)下發(fā)給該系統(tǒng)就能進行實時預(yù)報，操作簡單、長時間全天候預(yù)報，不需要人為干預(yù)。

一、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的運行以及星歷解算的實現(xiàn);FLASH存儲電路主要用于存儲計算章動時需要的DE405星歷數(shù)據(jù)，計算極移和地球自轉(zhuǎn)角時需要的EOP數(shù)據(jù)，將這些外部數(shù)據(jù)從得到的原始數(shù)據(jù)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(wèi)星軌道預(yù)報結(jié)果輸出給地面站，接收衛(wèi)星軌道根數(shù)的輸入。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的軌道參數(shù)實時計算出衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和高度，結(jié)合地面站位置坐標(biāo)，計算出地面站天線指向衛(wèi)星的方位角和俯仰角。

2.1數(shù)值積分

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

式中：

μ——地球引力常數(shù);

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(wèi)星的矢量s在WGS-84坐標(biāo)系中表示為：

其中：表示衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)

表示地面站在WGS-84坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)

地面站指向衛(wèi)星的矢量s在“北-天-東”坐標(biāo)系中表示為：

地面站指向衛(wèi)星的矢量s在地面站天線本體坐標(biāo)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(tǒng)流程設(shè)計

結(jié)合衛(wèi)星軌道預(yù)報的輸入?yún)?shù)，用單步法起步，開始進行軌道積分并依次計算衛(wèi)星星歷，使用Cowell 數(shù)值積分器軌道預(yù)報，整個衛(wèi)星軌道預(yù)報具體流程見圖2所示。

三、系統(tǒng)驗證與分析

3.1 輸入數(shù)據(jù)

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

3.2計算結(jié)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(yù)報值進行對比分析可知，在低軌衛(wèi)星過頂時間段內(nèi)，當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)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(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星經(jīng)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(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)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(shù)量級，俯仰角誤差在10-3數(shù)量級，誤差范圍很小，滿足低軌衛(wèi)星跟蹤需要。

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

四、結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于STM32低軌衛(wèi)星預(yù)報系統(tǒng)平臺，通過與STK軟件中HPOP模型衛(wèi)星預(yù)報數(shù)據(jù)進行對比分析。分析結(jié)果表明，計算結(jié)果與STK軟件星歷預(yù)報結(jié)果偏差較小，能夠滿足空間低軌衛(wèi)星軌跡預(yù)報的精度要求。本系統(tǒng)平臺較傳統(tǒng)的軌道預(yù)報方法實用性強，簡化預(yù)報程序和相應(yīng)的上位機軟件， 提高預(yù)報效率。可應(yīng)用于地面衛(wèi)星站跟蹤衛(wèi)星目標(biāo)的需要。

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