一种火箭橇试验等高程轨道设计方法技术

本发明专利技术公开了一种火箭橇试验等高程轨道设计方法，该方法在大地坐标系中，确定设计思路为等高程轨道，轨道随着地球曲率变化，其次，建立空间直线方程，通过坐标变换，将直线转化到发射点大地直角坐标系，最后通过迭代计算公式，得到WGS-84坐标系下的轨道坐标，变换到发射点地理坐标下的弧线轨道，为轨道建设提供连续的地理信息数据。该方法可以为国内火箭橇轨道建设提供一种长距离轨道的建设思路，建成的轨道高程相等，保持与地球表面曲率一致，最大限度的节约轨道建设成本和人力物力投入，为火箭橇试验轨道的建设提供准确可靠的理论依据和应用基础。

【技术实现步骤摘要】
一种火箭橇试验等高程轨道设计方法
本专利技术涉及一种火箭橇试验等高程轨道设计方法，尤其涉及一种不限距离、高直线度和等高程的火箭橇试验轨道的设计方法，可用于火箭橇试验轨道的建设领域。
技术介绍
在惯性测量系统开展火箭橇试验前，需要了解沿轨道运行的相关参数。试验轨道直接铺设在地球表面上，因此，无论是惯性导航，还是GPS，定位模型方程的建立与解算等问题，都直接或间接地用到地球几何形状及其重力场参数。地球表面起伏不平、很不规则，并不是一个理想的旋转椭球体(ellipsoid)。地球的形状，通常是指地球的物理表面和数学表面。地球的物理表面是客观存在的，是地球与其外层大气间的分界面；而它的数学表面则是大地水准面，这是一个重力等位面，由大地测量确定。在大地测量领域，大地水准面定义为平均海水面及其在大陆的延伸所形成的闭合曲面，它是测量成果的基准面，它所包围的大地体最能代表地球。地球内部的物质分布很不均匀，因而地球重力场的变化也不规则，大地水准面无法用一个简单的数学方程来描述它。实际工作中，采用一个旋转椭球来近似地球的几何形状，称之为参考椭球面。按照大地测量术语，参考椭球面不仅其大小和形状接近地球本体，而且经过了椭球定位定向使其与大地水准面最为吻合。一个参考椭球体的大小和形状，可以用两个几何参数来描述：长半轴a、短半轴b和扁率f，这两个参数的具体数值由大地测量方法求定。旋转椭球体的数学模型为定义偏心率(eccentricity)为椭圆率(ellipticity)为扁率(flattening)的表达式为由于大地测量手段和方法的不断改进和完善，这两个参数也就随之不断以新的数值出现，精度不断提高。GPS单点定位的坐标以及相对定位中解算的基准向量属于WGS-84大地坐标系。WGS-84大地坐标系(简称WGS-84坐标系)的几何定义是：原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和赤道的交点，Y轴与X和Z轴构成右手坐标系。对应于WGS-84大地坐标系有一个WGS-84椭球。过地面P作椭球面的垂线称之为法线，包含过P点法线的平面叫法截面，法截面与椭球面的截线叫法截线。P点的法线与椭球短轴构成的平面称为大地子午面，它是一特殊的法截面，它与椭球面的截线称为P点的大地子午圈。P点上与大地子午面正交的一个法截面称为P点的卯酉面，它与椭球面之截线称为P点的卯酉圈。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：针对目前国内的火箭橇试验发展的需求，对超长距离、高直线度和等高程火箭橇轨道的建设提出了更高要求，该专利技术提出了相应的设计解决方法，保证轨道高程相等，与地球表面曲率一致，最大限度的节约轨道建设成本和人力物力投入，不受距离和地理条件限制，为轨道建设提供连续的轨道地理数据等特点。本专利技术的技术解决方案：一种火箭橇试验等高程轨道设计方法，步骤如下：(1)在WGS-84坐标系中，确定一点P作为火箭橇试验等高程轨道起始点；(2)在地球直角坐标系中，经过P点选取拟建设轨道的方向，单位方向矢量记为(m,n,p)，利用方向矢量，确定轨道相对WGS-84坐标系的偏航角γ；(3)按照轨道长度的设计要求，得到空间直角坐标系中的一条直线，并利用上述偏航角γ对轨道方程进行变换；(4)利用P点的经度、纬度、高度信息将步骤(3)处理后的轨道方程变换到WGS-84坐标系下。所述步骤(4)中的变换采用迭代的方式进行，迭代公式如下：其中，hp为P点在WGS-84坐标系下的高度；ΔXn+1＝X(tn+1)-X(tn)，X(tn)为tn时利用步骤(3)处理后的轨道方程计算的坐标点相对起始点在WGS-84坐标系下的东向位移；ΔYn+1＝Y(tn+1)-Y(tn)，Ye(tn)为tn时利用步骤(3)处理后的轨道方程计算的坐标点相对起始点在WGS-84坐标系下的北向位移；和为对应点处的卯酉圈和子午圈半径，为迭代过程中第n个离散点对应的纬度；λ(tn)、为tn时对应的经度、纬度，λ(tn+1)、为迭代计算的下一时间点tn+1对应的经度、纬度。本专利技术与现有方法相比的优点在于：针对国内对火箭橇测试技术的重视，国内正在建设和使用的3Km轨道和9Km轨道渐渐不能够满足超高音速，大过载和各项试验的要求，平直轨道虽然在轨道参数上具有较大的优势，但随着轨道距离的增长，建设成本成倍的增长，造成资源浪费。本专利技术的办法提出了等高程火箭橇轨道的建设设计方法，建设一种紧随地球曲率变化的等高度直线轨道，相比平直轨道具有建设成本低，设计方法直观，节省了更多的人力、物力、财力，并不受建设距离和地域地势的限制，并可以指导高速铁路轨道的铺设和大型机场跑道的建设，为军用民用提供全新的设计思路和技术基础，具有理论和应用意义。附图说明图1为WGS-84坐标系下纬度示意图；图2为本专利技术的大地方位角示意图；图3为本专利技术的火箭橇轨道在已知长度后的设计图；图4为本专利技术的火箭橇轨道在进行航向偏转后的仿真示意图；图5为本专利技术的火箭橇轨道在WGS-84坐标系中的仿真示意图；图6为本专利技术的火箭橇轨道在WGS-84坐标系中的仿真与实测示意图；图7为本专利技术的火箭橇轨道发射点空间直角坐标系中的仿真示意图具体实施方式补充所有涉及到的坐标系的定义。地面某点P相对椭球面的位置，既可以用WGS-84坐标也可用地球直角坐标(xe,ye,ze)来表示。λ称为大地经度(longitude)，定义为该点的大地子午面与起始子午面的夹角，从起始子午面算起，向东为正，向西为负。称为大地纬度(geodeticlatitude)，是指该点的法线与地球赤道面之夹角，由赤道面算起，向北为正，向南为负。在附图1中，称为地心纬度(geocentriclatitude)，P点沿法线至参考椭球面的距离h，叫做大地高(altitude)，从椭球面起算，向外为正。在WGS-84坐标系下，使用量(xL,yL,zL)描述两点间的位置关系，(xL,yL,zL)分别代表了两点间的东向距离、北向距离和高度差。有时把WGS-84坐标系也叫东北天地理坐标系(L系)。地球直角坐标系e的原点位于旋转椭球体中心，z轴与地球自转轴重合，正向沿地球自转方向，x和y轴位于赤道平面内，x轴穿过本初子午线，y轴穿过东经90°子午线。本专利技术一种火箭橇试验等高程轨道设计方法，步骤如下：(1)在WGS-84坐标系中，任意确定一点P作为火箭橇试验等高程轨道起始点；(2)在地球直角坐标系中，经过P点选取拟建设轨道的方向，单位方向矢量记为(m,n,p)，利用方向矢量，确定轨道相对WGS-84坐标系的偏航角γ；当一点的纬度、经度、高度信息为其在地球直角坐标系中的坐标(xe,ye,ze)为：其中，N为该点卯酉圈的曲率半径，且a为长半轴，e为偏心率。那么，过P点方向为(m,n,p)的直线方程为由此可得到空间直线的参数式方程...

【技术保护点】
一种火箭橇试验等高程轨道设计方法，其特征在于步骤如下：(1)在WGS‑84坐标系中，确定一点P作为火箭橇试验等高程轨道起始点；(2)在地球直角坐标系中，经过P点选取拟建设轨道的方向，单位方向矢量记为(m,n,p)，利用方向矢量，确定轨道相对WGS‑84坐标系的偏航角γ；(3)按照轨道长度的设计要求，得到空间直角坐标系中的一条直线，并利用上述偏航角γ对轨道方程进行变换；(4)利用P点的经度、纬度、高度信息将步骤(3)处理后的轨道方程变换到WGS‑84坐标系下。

【技术特征摘要】
1.一种火箭橇试验等高程轨道设计方法，其特征在于步骤如下：(1)在WGS-84坐标系中，确定一点P作为火箭橇试验等高程轨道起始点；(2)在地球直角坐标系中，经过P点选取拟建设轨道的方向，单位方向矢量记为(m,n,p)，利用方向矢量，确定轨道相对WGS-84坐标系的偏航角γ；(3)按照轨道长度的设计要求，得到空间直角坐标系中的一条直线，并利用上述偏航角γ对轨道方程进行变换；(4)利用P点的经度、纬度、高度信息将步骤(3)处理后的轨道方程变换到WGS-84坐标系下。2.根据权利要求1所述的一种火箭橇试验等高程轨道设计方法，其特征在于：所述步骤(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏宗康，段宇鹏，刘璠，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11