一种环绕行星探测器的轨道测量方法技术

本发明专利技术公开了一种环绕行星探测器的轨道测量方法，具体通过以下步骤进行实施；将积分开始和结束的两个单向距离差，在积分结束时刻的单向距离矢量处进行有限阶泰勒展开，得到平均测速的几何分量；结合平均测速的相对论分量，计算得到总的平均测速值。本发明专利技术在计算行星位置时，使用速度积分替代多次直接计算，避免了星表插值误差，距离差作为距离矢量和变化矢量的函数，仅需双精度浮点数即可满足存储计算有效位数需求，避免了使用四精度浮点数引起的计算复杂度，有效的兼顾了计算精度和效率。有效的兼顾了计算精度和效率。有效的兼顾了计算精度和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种环绕行星探测器的轨道测量方法


[0001]本专利技术属于航天器轨道测量
，涉及一种环绕行星探测器的轨道 测量方法。

技术介绍

[0002]深空行星探测的主要测轨手段为高精度多普勒数据，使用多普勒数据对 目标进行精密定轨定位，需要预先对测速进行理论建模，得到高于测量精度 一个量级以上的理论值。目前X频段的多普勒测速精度可达0.1mm/s，对应 的理论测速精度需达到0.01mm/s以上才能满足要求。常规方法先计算探测 器与测站的距离，再通过距离差分获得理论测速值。在计算距离时，需要计 算探测器和测站的位置，而星表插值行星位置的误差约0.1mm，无法通过差 分消除。在使用距离差分计算理论测速时，为避免截断误差，需要使用四精 度浮点数，存储和计算速度很慢。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种环绕行星探测器的轨道测量方法，解决了现有 技术中存在的误差大，计算速度慢的问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，一种环绕行星探测器的轨道测量方法，具 体按照以下步骤实施：
[0005]步骤1、计算积分结束时刻的单向下行矢量；
[0006]步骤2、计算积分结束时刻的单向上行矢量；
[0007]步骤3、计算积分开始时刻的单向下行矢量；
[0008]步骤4、计算积分开始时刻的单向上行矢量；
[0009]步骤5、计算积分开始和结束时刻的单向上行和下行距离差；
[0010]步骤6、计算多普勒测速的几何分量；
[0011]步骤7、计算平均测速的相对论分量；
[0012]步骤8、计算总的平均测速。
[0013]本专利技术的特点还在于，
[0014]步骤1根据环绕行星的情况，计算探测器单向下行矢量为：
[0015]r
23
(t
end
)＝(r
P
+r
sat
)
‑
(r
E
+r
sta
)
ꢀꢀ
(1)
[0016]式(1)中，r
23
为探测器到地面测站的单向下行矢量，t
end
表示积分结束 时刻，r
E
为地心在太阳系质心天球参考系(BCRS)下的位置矢量，r
sta
为测 站在地心天球参考系下的位置矢量，r
P
为行星质心在BCRS下的位置矢量， r
sat
为探测器在行星质心天球参考系下的位置矢量；以上各天球参考系仅存在 坐标系原点的平移，不涉及轨道面和主方向的旋转；
[0017]计算单向下行时，以接收时刻为初始值，进行光行时迭求解探测器转发 时刻，单向距离值ρ
23
＝||r
23
||变换小于1％认为迭代收敛。
[0018]步骤2根据环绕行星的情况，计算探测器单向上行矢量为：
[0019]r
12
(t
end
)＝(r
E
+r
sta
)
‑
(r
P
+r
sat
)
ꢀꢀ
(2)
[0020]式(2)中，参数t
end
，r
E
,r
sta
,r
P
,r
sat
定义与步骤1中一致，r
12
为地面测站 到的探测器单向上行矢量；
[0021]计算单向上行时，以探测器转发时刻为初始值，进行光行时迭求解地面 站信号发送时刻，单向距离值ρ
12
＝||r
12
||变换小于1％认为迭代收敛。
[0022]步骤3中积分开始时刻t
start
＝t
end
‑
T
c
，计算单向下行矢量为：
[0023][0024]式(3)中，参数r
E
，r
sta
，r
P
，r
sat
定义与步骤1一致，其中Δ项为一个积分周 期内对应矢量的变化量，其中测站位置变化Δr
sta
由不同时刻坐标转换得到， 探测器位置变化Δr
sta
由轨道积分获得，地球和行星位置的变化Δr
P
和Δr
E
通过 行星星历表插值获得；
[0025]Δr
23
＝(Δr
P
+Δr
sat
)
‑
(Δr
E
+Δr
sta
)为积分结束和开始时刻单向下行矢量差。
[0026]步骤4根据步骤2和步骤3，计算积分开始时刻单向上行矢量：
[0027]r
12
(t
start
)＝r
12
(t
end
)+Δr
12
ꢀꢀ
(4)
[0028]式(4)中，Δr
12
为积分结束和开始时刻单向上行矢量差。
[0029]步骤5对积分开始和结束的两个单向距离做差，将差值在积分结束时刻 的单向距离矢量r处泰勒展开，舍去高阶项：
[0030][0031]将步骤1的式(1)和步骤3的式(3)的结果代入式(5)，得到单向下 行的距离差||r
23
(t
end
)||
‑
||r
23
(t
start
)||；
[0032]将步骤2的式(2)和步骤4的式(4)的结果代入式(5)，得单向上行 的距离差||r
12
(t
end
)||
‑
||r
12
(t
start
)||。
[0033]步骤6将步骤5得到的上行和下行距离差相加，并除以积分间隔，得到 多普勒测速的几何分量
[0034][0035]式(6)中，下标12为单向上行，下标23为单向下行。
[0036]步骤7根据太阳和太阳系内行星引力影响的相对论时延，计算平均测速 的相对论分量
[0037][0038]式(7)中，rlt为相对论效应引起的路径延长，下标12为单向上行，下 标23为单向下行。
[0039]步骤8将步骤6得到的多普勒测速的几何分量和步骤7得到的平均测速 的相对论分量相加，得到最终的平均多普勒测速
[0040][0041]本专利技术的有益效果是：本专利技术针对深空探测器环绕行星位置受到行星引 力约束的特点，使用速度积分替代直接使用星表计算行星绝对位置，避免了 星表插值误差，使用包含位置和变化矢量的泰勒展开计算距离差，仅需双精 度浮点数即可满足有效存储位数需求，避免了四精度浮点数引起的计算复杂 度，有效的兼顾了计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环绕行星探测器的轨道测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、计算积分结束时刻的单向下行矢量；步骤2、计算积分结束时刻的单向上行矢量；步骤3、计算积分开始时刻的单向下行矢量；步骤4、计算积分开始时刻的单向上行矢量；步骤5、计算积分开始和结束时刻的单向上行和下行距离差；步骤6、计算多普勒测速的几何分量；步骤7、计算平均测速的相对论分量；步骤8、计算总的平均测速。2.根据权利要求1所述一种环绕行星探测器的轨道测量方法，其特征在于，所述步骤1根据环绕行星的情况，计算探测器单向下行矢量为：r
23
(t
end
)＝(r
P
+r
sat
)
‑
(r
E
+r
sta
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，r
23
为探测器到地面测站的单向下行矢量，t
end
表示积分结束时刻，r
E
为地心在太阳系质心天球参考系(BCRS)下的位置矢量，r
sta
为测站在地心天球参考系下的位置矢量，r
P
为行星质心在BCRS下的位置矢量，r
sat
为探测器在行星质心天球参考系下的位置矢量；以上各天球参考系仅存在坐标系原点的平移，不涉及轨道面和主方向的旋转；计算单向下行时，以接收时刻为初始值，进行光行时迭求解探测器转发时刻，单向距离值ρ
23
＝||r
23
||变换小于1％认为迭代收敛。3.根据权利要求2所述一种环绕行星探测器的轨道测量方法，其特征在于，所述步骤2根据环绕行星的情况，计算探测器单向上行矢量为：r
12
(t
end
)＝(r
E
+r
sta
)
‑
(r
P
+r
sat
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，参数t
end
，r
E
,r
sta
,r
P
,r
sat
定义与步骤1中一致，r
12
为地面测站到的探测器单向上行矢量；计算单向上行时，以探测器转发时刻为初始值，进行光行时迭求解地面站信号发送时刻，单向距离值ρ
12
＝||r
12
||变换小于1％认为迭代收敛。4.根据权利要求3所述一种环绕行星探测器的轨道测量方法，其特征在于，所述步骤3中积分开始时刻t
start
＝t
end
‑
T
c
，计算单向下行矢量为：式(3)中，参数r
E

【专利技术属性】
技术研发人员：叶楠，杨永安，王家松，王帆，陈俊收，李军锋，贺克山，叶修松，任凯强，
申请(专利权)人：中国西安卫星测控中心，
类型：发明
国别省市：