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梦天实验舱初始轨道快速计算策略与分析.pdf
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1、第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)梦天实验舱初始轨道快速计算策略与分析段成林,盛庆轩,段建锋,王浩宇,慎千慧,陈铭(北京航天飞行控制中心,北京 100094)摘要:初始轨道是航天器入轨评价的关键判据,快速准确计算初始轨道可在入轨异常时为应急救生控制赢得时间。针对传统初始轨道计算方法时间与精度不能兼顾的问题,设计了初始轨道快速计算策略,根据运载火箭加速度变化率来判断舱箭分离时间,采用基于动力学约束的实时轨道滑动批处理方法累积超短弧分离后数据计算初始轨道,对利用各种数据源确定的多组初始轨道进行逻辑优选判断。通
2、过梦天试验舱仿真数据验证表明:使用该策略计算初始轨道,可达到事后精密定轨同等精度,计算时间控制在 1 min以内,时效性远超事后精密轨道确定方法。关键词:初始轨道;舱箭分离;滑动批处理;短弧定轨;梦天试验舱中图分类号:V 19 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.05.004Strategy and Analysis of Fast Calculation for Initial Orbit of Mengtian Lab ModuleDUAN Chenglin,SHENG Qingxuan,DUAN Jianfeng,WANG Haoyu,SHEN Q
3、ianhui,CHEN Ming(Beijing Aerospace Control Center,Beijing 100094,China)Abstract:The initial orbit is the key criterion for the evaluation of spacecraft into orbit.The fast and accurate calculation of initial orbit can gain time for the emergency life-saving control when the orbit is abnormal.In orde
4、r to solve the problem that the time and accuracy obtained by the traditional initial orbit calculation method cannot be balanced,a fast initial orbit calculation strategy is designed.The separation time of module and arrow is determined according to the acceleration change rate of the launch vehicl
5、e.the real-time orbit sliding batch processing algorithm based on dynamic constraints is used to accumulate the data after ultra-short arc separation for the initial orbit calculation,and the logical optimization of multiple groups of initial orbits determined by various data sources is determined.T
6、he simulation data of the Mengtian lab module show that using the designed strategy to calculate the initial orbit can achieve the same accuracy of post-precision orbit determination,the calculation time is controlled within 1 min,and the timeliness is much higher than that obtained by the post-prec
7、ision orbit determination method.Key words:initial orbit;separation of module and arrow;sliding batch processing;short arc orbit determination;Mengtian lab module0引言 航天器的初始轨道是判断航天器是否入轨的重要判据,也是航天器入轨异常时应急控制计算的必要条件。梦天试验舱是组成中国空间站基本构型的 3 个舱段之一,也是中国空间站第二个科学试验舱1。梦天舱入轨时可用于确定初始轨道的数据源包括火箭遥测数据、实验舱遥测全球导航卫星系统(Gl
8、obal Navigation Satellite System,GNSS)数据,以及实验舱入轨后的外测 USB 数据,其中火箭遥 测 数 据 包 括 箭 遥 GNSS 数 据2-4和 箭 遥 惯 组 数据5-6。一般情况下,使用火箭遥测数据进行初轨计算时,通常使用舱箭分离前最后一帧数据,通过预收稿日期:20230522;修回日期:20230809基金项目:国家自然科学基金(11973015)作者简介:段成林(1979),男,高级工程师,硕士,主要研究方向为航天器轨道确定。30第 40 卷 2023 年第 5 期段成林,等:梦天实验舱初始轨道快速计算策略与分析设的理论分离速度和角度计算舱箭分离
9、时刻的试验舱初始轨道7-9;舱遥 GNSS 数据覆盖了舱箭分离前后全部时间段,由于定位精度较高,是确定试验舱初始轨道的主要数据源;外测数据10-12是试验舱入轨后的重要备份测控手段,具有较高的测量精度,也是初轨计算的主要来源之一。梦天试验舱由运载火箭发射入轨并舱箭分离后,传统初始轨道计算通常有 2 种策略:1)使用舱箭分离前后 1 点或多点火箭遥测数据、实验舱遥测和外测数据计算多组初始轨道,分析计算各初始轨道与理论轨道的偏差,根据经验选择其中一组数据源计算结果作为试验舱初始轨道。使用该策略,火箭入轨后即可快速计算出初始轨道,由于使用数据点数较少,且预设的理论分离速度、角度与真实状态有所不同,初
10、始轨道精度与实际轨道可能会有较大偏差。2)累积分离后一定时长的实验舱遥测GNSS或外测数据,进行事后精密轨道确定,如果定轨结果与其他数据源一致,可直接将事后定轨结果优选为初始轨道。使用该策略,优点是计算结果精度高,缺点是初轨计算耗时较长13-15。针对传统初始轨道计算时间与精度不能兼顾的问题,本文设计了初始轨道快速计算及优选判断策略。首先根据运载火箭加速度变化获取舱箭分离时间;其次采用基于动力学约束的实时轨道滑动16-18批处理方法累积超短弧分离后数据计算初始轨道;最后对利用各种数据源确定的多组初始轨道进行逻辑优选判断,提高了精度和效率,可应用到空间站工程后续各航天器入轨后初始轨道快速计算时使
11、用。1舱箭分离时间判断 航天器初始轨道的历元时间一般选择在器箭分离时刻,准确及时估计器箭分离时间是初始轨道计算的前提。梦天试验舱由长征五号 B遥四运载火箭在文昌航天发射场发射升空,运载火箭起飞后,在一二分离、舱箭分离时,火箭的加速度会发生剧烈变化,通过加速度变化可以准确估算各关键事件发生时间。计算分离时间时,在舱箭分离前分别使用各类遥测 GNSS 数据和惯组数据实时计算火箭加速度,比较上一时刻求得的加速度与当前时刻加速度,若比值超过事先设定的阈值,则认为该数据源判断出舱箭分离。为了避免误判,可事先设定至少 2 类数据源同时判断舱箭分离,且每个分离时间在运载火箭最大理论分离时间偏差范围内才认为事
12、件发生。判断时设定的加速度变化阈值与火箭型号有关,可事先通过仿真或相关火箭实测数据模拟计算获取。计算火箭加速度时,依据飞行时序,采用动态滑窗方法对火箭速度进行多项式拟合,其 1 阶拟合系数即为加速度。判断舱箭分离后,舱箭分离时间取滑动窗口中心时刻。分析表明,选用 3 阶多项式即可达到很好的逼近效果。在实际计算过程中,可适度调整多项式阶数和滑动窗口的宽度,以满足时间要求和精度要求。如果有多种数据源计算得到不同的分离时间,可通过如下方法计算最终的分离时间。步骤 1 设获取到的分离时间为n个,由于不同数据源测量精度和体制差异,可设置其判断权重分别为i,(i=1,2,n)。对各数据源权重进行归一化处理
13、。设处理后各数据源获取的分离时间权重为i,(i=1,2,n),如式(1)所示:i=ii=1ni,i=1,2,n(1)步骤 2 设各数据源计算的分离时间为ti,(i=1,2,n),设平均分离时间为t,如式(2)所示:t=i=1n(iti)(2)步骤 3 计算各分离时间距平均分离时间的方差。设各分离时间距平均分离时间的方差为i,如式(3)所示:i=(ti-t)2,(i=1,2,n)(3)步骤 4 根据各分离时间距平均分离时间的方差大小,动态调整各数据源的新权重。记各数据源的方差和为a,如式(4)所示:a=i=1ni(4)计算各数据源的新权重值i,如式(5)所示:i=ij=1nj,i=1,2,n(5
14、)其中,i=ai,i=1,2,n。步骤 5 重复步骤 2、3、4,直至在步骤 4 的计算31第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)中,当某条数据源的新权重大于 50%时,该数据源计算的分离时间即为最终计算分离时间。特殊情况,如果只有 2 类数据源判断分离时间,则计算这 2类分离时间的均值为最终分离时间。本文舱箭分离时间判断采用多组计算结果逐次迭代取方差最小的数据源的优选方法。每次迭代前加权计算所有分离时间的均值,然后根据各分离时间距平均分离时间的方差,动态计算各数据源的新权重,重复迭代过程,直至某条数据源的新
15、权重大于 50%时终止。由于在逐次迭代过程中,方差最大的数据源权重不断降低,方差最小的数据源权重越来越大,迭代结束时最终选择的分离时间,一定为集群计算结果中方差最小的那条数据源计算的结果,保证了分离时间计算的的可靠性和精度。2实时轨道滑动批处理算法 2.1算法原理实时轨道滑动批处理算法将事后精密轨道确定方法实时化。该算法接收外部初值,在试验舱入轨后积累数据进行最小二乘拟合,根据测量数据迭代改进初值,解算出一组与测量数据残差平方、最小的精确轨道,并将该轨道作为新的计算初值,继续接收新的测量数据,进行下一次计算。当累积数据数量或时长超过事先设定值后,采用动态滑窗方法进行处理。该算法通过增加动力学约
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