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1簡介

利用測量數據確定航天器軌道的過程。其步驟分為數據獲取與預處理、初軌確定、軌道改進等。軌道確定通常由航天飛行控制中心完成。航天器軌道確定的理論最初來自天體力學。早期天體力學中軌道確定的對象是自然天體。天體力學中小行星軌道的確定方法和原理基本上都可以用於航天器的軌道確定。與自然天體的軌道確定相比,航天器飛行中運動角速度大,測控網測量它的數據種類多、數量大,一般測控網都配置了高速度、大容量的計算機用於軌道測定,因此就形成了適應這些特點的航天器軌道確定理論和方法,以滿足航天工程對軌道確定的高精度和實時性強的要求。

2步驟

航天器的軌道確定分為以下幾個步驟:①數據的獲取和預處理:航天測控站內用於測量航天器軌道的設備有雷達、多普勒測速設備、光學設備、激光測距儀等。這些設備對航天器進行跟蹤觀測,即可獲得大量的用於航天器軌道計算的各種數據。這些數據必須加以預先處理,剔除野值(非正常測量的劣值)、修正偏差(如大氣折射修正等)、整理和壓縮數據。②初軌確定:應用少量數據確定粗略的軌道要素,作為軌道改進的初值。③軌道改進:應用充分多的觀測數據,以軌道初值為基礎得到精確的軌道要素。

3基本理論

軌道確定中運用的基本理論有軌道誤差估算理論、航天器軌道運動理論和計算方法。①軌道誤差估算理論:研究如何利用大量觀測數據求解精確的航天器軌道。這是軌道改進中的核心問題。在實際中常用批量估演算法(如加權的最小二乘法)和序貫估演算法(如廣義的卡爾曼濾波法)。②軌道運動理論:包括建立和求解航天器運動方程或攝動方程(見航天器軌道攝動)。對於有推力的主動段和返回地球或進入行星表面的軌道,一般採用數值計算方法(見火箭運動方程、返回軌道)。③計算方法:主要是求解軌道改進中的大型線性方程組等問題。

4精度分析

軌道確定中的核心問題是軌道精度,引起軌道確定誤差的因素很多,可以分為三類:①測量數據的誤差:主要決定於測量設備的精度、航天器信標頻率穩定度、時間計量精度和大氣折射修正的精度。②數學模型的精度:主要決定於飛行動力學模型和基本參數誤差。飛行動力學模型包括各類攝動力的模型。基本參數誤差包括測量站站址誤差、攝動力描述中用的物理參數(如大氣密度、阻力係數和地球引力場各種常數等)誤差。③計算方法誤差:包括軌道要素推算誤差和線性方程組計算方法的誤差。軌道誤差是指航天器在空間的實際位置與推算出的位置之差,一般在幾米到百米之間。
應用軌道改進給出的精確軌道要素,可以計算觀測預報,為軌道交會和對接提供航天器準確的運動規律;可用於航天器所攝地面圖像的準確定位;用於地球靜止衛星的準確定點所進行的軌道修正和保持;以及用於人造地球衛星、登月載人飛船等準確返回地面的計算和地球引力場模型、地球大氣密度模型及其變化規律的研究等。
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