一种用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及卫星轨道仿真领域，特别涉及一种用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法及系统，包括以下步骤：步骤1)加入若干天体的引力场，建立卫星编队动力学模型；步骤2)设置所需的有效位数、卫星轨道仿真的起始时间、用于卫星轨道初始化的优化参数、仿真步长和所述求解器的参数；通过所述求解器和基于MPFR库开发的基本运算库计算所述卫星编队动力学模型，以获得与所述仿真步长对应时刻的所述卫星的位置和速度矩阵。本发明专利技术可以进行任意有效位数浮点运算，仿真精度不再受双精度16位有效位数的限制，其精度达到优于0.03皮米量级。其精度达到优于0.03皮米量级。其精度达到优于0.03皮米量级。

【技术实现步骤摘要】
一种用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及卫星轨道仿真领域，特别涉及一种用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]空间激光干涉引力波天线是一个超精密的测量系统，中国科学院提出的“太极”计划拟采用运行在日心轨道的三星编队来进行空间引力波探测，卫星编队距离太阳中心约为1个天文单位(1AU约等于1.496
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m)，每颗卫星包含两个测试质量。以测试质量作为引力波传感器，利用高精度激光干涉测距系统，测量由引力波引起的相距数百万千米的两个自由测试质量间的皮米级(1
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m)距离变化，进而反演引力波信号。
[0003]由于极高的探测精度要求以及任务的复杂性，因此建立探测编队的地面仿真系统是十分必要的，对在轨运行状态等进行仿真，从而为任务设计方案的优化、辅助关键技术攻克提供支持。然而，对于“太极”来说，需要在1AU卫星轨道尺度下仿真引力波引起的皮米量级的变化，长基线测量的精度要求高，已经远远超过了双精度的范围。一方面计算机编程语言所带的计算精度不够高，由于精度问题会导致误差过大；另一方面，在对轨道进行数值积分求解时，常微分方程求解器的精度也会因为双精度的不足而使得求解的精度远不足以满足要求。
[0004]近年来针对高精度轨道仿真，在低低卫卫追踪(LL
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SST)任务中，有些采用双精度与四倍精度混合的方式来提高轨道仿真的精度，但是只达到了纳米量级，跟空间引力波探测任务“太极”计划所需的皮米级精度还有很大的差距。基于Grace Follow
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On任务开发的扩展高性能卫星动力学模拟器(XHPS)，采用龙格
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库塔和多步积分器实现了不同的数值积分方案，但其精度水平受到了所选积分器的限制因此需要更多的位数。而在空间引力波探测的地心任务“天琴”的轨道仿真中，通过Matlab四倍精度算法扩展到34个有效数字，开发了天琴的四精度轨道数值仿真程序。但是以上问题跨越的尺度均没有日心轨道空间引力波探测任务广，在跨尺度计算中未考虑这么宽的范围。
[0005]MPFR C++是一个多精度高效的浮点计算C语言的开源的头文件库，通过包含mpreal.h头文件即可进行任意有效位数的浮点计算(仅受可用内存限制)，支持像“+”和“/”这样简单的算术运算，还支持数学函数：sin、sqrt、pow、log等。但是，目前还没有利用MPFR库进行轨道数值仿真的方法。
[0006]综上所述，目前进行轨道仿真的技术精度较差，无法达到皮米级精度仿真，针对深空探测任务例如日心轨道空间引力波探测任务中1AU的空间尺度下卫星轨道的皮米级精度仿真问题，尚无有效的解决方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服目前深空探测任务中，例如日心空间引力波探测任务，卫星轨道数值仿真精度不足的问题，提出了一种适用于日心轨道空间引力波探测任务的高精
度轨道数值仿真方法及系统，对位于1AU尺度下卫星的轨道进行皮米量级的仿真，并验证了该方法的正确性及有效性。
[0008]为解决上述问题，本专利技术基于MPFR库的mpreal.h头文件设计了一种用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法及系统，通过可以实现任意有效位数浮点运算的高精度的常微分方程求解器，解决探测编队轨道仿真精度不足的问题，实现在1AU的空间尺度下轨道仿真精度达到皮米量级甚至更高的要求。本专利技术提供的用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法，通过求解器和基本运算库对卫星轨道进行仿真，以获得卫星的位置和速度矩阵；其特征在于，包括以下步骤：
[0009]步骤1)加入若干天体的引力场，建立卫星编队动力学模型；
[0010]步骤2)设置所需的有效位数、卫星轨道仿真的起始时间、用于卫星轨道初始化的优化参数、仿真步长和所述求解器的参数；通过所述求解器和基于MPFR库开发的基本运算库求解所述卫星编队动力学模型，以获得与所述仿真步长对应时刻的所述卫星的位置和速度矩阵。
[0011]作为上述方法的一种改进，所示基本运算库在底层框架中利用MPFR库进行开发，其中，所述MPFR库包括：mpreal.h头文件；所述基于MPFR库开发的基本运算库包括：矩阵运算模块、轨道元素计算模块、字符串类型转换模块、时间转换模块、坐标系转换模块、数据输入模块和数据输出模块。
[0012]作为上述方法的一种改进，步骤2
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1)设置所需的有效位数、卫星轨道仿真的起始时间、用于卫星轨道初始化的优化参数、仿真步长和所述求解器的参数；
[0013]步骤2
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2)通过所述时间转换模块将设置的所述卫星轨道仿真的起始时间从北京时间转换为儒略日时间；
[0014]步骤2
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3)通过所述数据输入模块，读取所述用于卫星轨道初始化的优化参数；
[0015]步骤2
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4)通过所述矩阵运算模块，基于所述优化参数，获得与所述卫星轨道的起始时间对应的初始化卫星位置和速度矩阵；
[0016]步骤2
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5)通过所述坐标系转换模块，将所述初始化卫星位置和速度矩阵转化到所述卫星编队动力学模型所需坐标系；
[0017]步骤2
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6)通过所述求解器，利用设置的所述求解器的参数、所述仿真步长、所述有效位数、所需坐标系的所述初始化卫星位置和速度矩阵，对所述卫星编队动力学模型进行常微分方程求解，以获得所述卫星编队动力学模型所需坐标系下，所述仿真步长对应时刻的具有所需有效位数的卫星位置与速度；并通过所述坐标系转换模块将其转化到惯性系，以获得惯性系下与所述仿真步长对应时刻的具有所述有效位数的卫星位置与速度。
[0018]作为上述方法的一种改进，所述求解器的类型包括：8阶变步长龙格库塔求解器和8阶变步长DOP853求解器；所述求解器进一步利用所述基于MPFR库开发的基本运算库进行开发，以进行任意有效位数浮点运算。
[0019]作为上述方法的一种改进，所述求解器采用8阶变步长DOP853求解器，并采用7阶稠密输出，其中，所述求解器的参数设置为：误差容忍度为1
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N
，其中，N为任意正整数。
[0020]作为上述方法的一种改进，所述求解器利用所述字符串类型转换模块中的StringToReal函数将字符串形式的求解器系数和用于卫星初始化的优化参数转化为mpreal数据类型，以使求解器系数和用于卫星初始化的优化参数转化为与所述有效位数对
应的常数。
[0021]作为上述方法的一种改进，所述卫星编队动力学模型利用以下公式进行建立：
[0022][0023]其中，i为卫星的序号，为在惯性系中第i颗卫星的加速度矩阵；为在惯性系中第i颗卫星的位置矩阵，为在惯性系中第k个天体的位置矩阵；M
k
为第k个天体的质量；G为万有引本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法，通过求解器和基本运算库对卫星轨道进行仿真，以获得卫星的位置和速度矩阵；其特征在于，包括以下步骤：步骤1)加入若干天体的引力场，建立卫星编队动力学模型；步骤2)设置所需的有效位数、卫星轨道仿真的起始时间、用于卫星轨道初始化的优化参数、仿真步长和所述求解器的参数；通过所述求解器和基于MPFR库开发的基本运算库求解所述卫星编队动力学模型，以获得与所述仿真步长对应时刻的所述卫星的位置和速度矩阵。2.根据权利要求1所述的用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法，其特征在于，所示基本运算库在底层框架中利用MPFR库进行开发，其中，所述MPFR库包括：mpreal.h头文件；所述基于MPFR库开发的基本运算库包括：矩阵运算模块、轨道元素计算模块、字符串类型转换模块、时间转换模块、坐标系转换模块、数据输入模块和数据输出模块。3.根据权利要求2所述的用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：步骤2
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1)设置所需的有效位数、卫星轨道仿真的起始时间、用于卫星轨道初始化的优化参数、仿真步长和所述求解器的参数；步骤2
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2)通过所述时间转换模块将所述卫星轨道仿真的起始时间从北京时间转换为儒略日时间；步骤2
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3)通过所述数据输入模块，读取所述用于卫星轨道初始化的优化参数；步骤2
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4)通过所述矩阵运算模块，基于所述优化参数，获得与所述卫星轨道的起始时间对应的初始化卫星位置和速度矩阵；步骤2
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5)通过所述坐标系转换模块，将所述初始化卫星位置和速度矩阵转化到所述卫星编队动力学模型求解过程中所需坐标系；步骤2
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6)通过所述求解器，利用设置的所述求解器的参数、所述仿真步长、所述有效位数、所需坐标系的所述初始化卫星位置和速度矩阵，对所述卫星编队动力学模型进行常微分方程求解，以获得所述卫星编队动力学模型所需坐标系下，所述仿真步长对应时刻的具有所需有效位数的卫星位置与速度；并通过所述坐标系转换模块将其转化到惯性系，以获得惯性系下与所述仿真步长对应时刻的具有所述有效位数的卫星位置与速度。4.根据权利要求1所述的用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法，其特征在于，所述求解器的类型包括：8阶变步长龙格库塔求解器和8阶变步长DOP853求解器；所述求解器进一步利用所述基于MPFR库开发的基本运算库开发进行开发，以进行任意有效位数浮点运算。5.根据权利要求1所述的用于深空探测的皮米量级卫星轨道仿真方法，其特征在于，所述求解器采用8阶变步长DOP853求解器，并采用7阶稠密输出，其中，所述求解器的参数设置为：误差容忍度为1
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【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓晴，唐文林，彭晓东，杨震，马晓珊，强丽娥，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：