量子科学实验卫星对地面站高精度指向解决方案

蒋虎,邓雷,余金培

(1.上海微小卫星工程中心,上海 201203)(2.中科院微小卫星创新研究院,上海 201203)

0　引　言

空间飞行器在空间飞行时保持各种飞行姿态,以满足空间飞行器上的有效载荷完成不同任务目标[1]。例如,为了将飞行器上的科学数据下传给地面数传站,飞行器通常采用对地心指向的姿态模式,另外,地球同步通信卫星也经常采用对地心指向的姿态模式[2];对太阳等恒星目标进行观测,飞行器一般会采用惯性或准惯性指向的姿态模式;对绕地球运动的另一目标进行观测时,飞行器将采用对目标跟踪指向的姿态模式;对地面站进行凝视观测时,飞行器将采用对地面站指向的姿态模式。本文着重对地面站指向的姿态模式进行研究。以量子科学实验卫星为例,这里提出了对地面站指向模式下的两种实现方案,同时对多个相关状态转换矩阵的影响量级进行了仿真评估。以两种指向实现方案互为备份,这将大大提高飞行器姿控系统对地面站指向的可靠度,有利于该种姿态指向模式的有效实现。

1　对地面站指向实现方案分析

对地面站指向模式下,指向引导律设计关键在于给出在J2000坐标系里,飞行器和地面站的位置矢量。飞行器的位置矢量可以由星载GNSS接收机来给出或者由星上简化预报程序来给出,提供给飞行器平台的姿态控制使用。地面站坐标通常是以地固系坐标形式给出的。这就涉及到地固系与J2000坐标系之间的转换[3-4]。

1.1　地固系下位置矢量描述

地面站坐标通常由经度λ、纬度φ、高程h来描述。而不同坐标系之间转换时通常采用直角坐标形式来进行。在地固系里,地面站的直角坐标(x,y,z)与地面站的经度、纬度、高程(λ,φ,h)之间的关系为

(1)

式中：

S=C(1-f)2，

f为参考椭球椭率，a为椭球半长轴。

1.2　J2000惯性系下位置矢量描述

设J2000惯性系下地面站位置坐标为(X,Y,Z),那么(x,y,z)与(X,Y,Z)存在如下关系:

(2)

联系人: 蒋虎 E-mail: hh9999ca@163.com

xp,yp分别为极移分量;

S0为格林尼治恒星时;

Δμ,Δθ,Δε分别为赤经章动、赤纬章动、交角章动;

zA,θA,ξA为赤道岁差角;

公式中涉及的赤经章动、赤纬章动、交角章动、赤道岁差角、格林尼治恒星时、极移分量等参量的表达式参见相关文献[3]。

通过以上公式转换后,可以得到J2000坐标系下地面站的位置直角坐标,再利用星载GNSS接收机提供的J2000坐标系下飞行器位置直角坐标,可以得到地面站相对于飞行器的相对位置坐标。该相对位置矢量可以作为姿态控制指向约束。图1和图2给出了岁差和章动对飞行器位置影响的初步评估。图3示出了地球自转及极移对飞行器位置影响。

J2000与WGS-84坐标系转换时主要涉及岁差、章动、地球自转和极移等转换矩阵。对于距离2000年较远的时间历元,必须考虑岁差的影响;某科学实验飞行器计划于2015年发射,这距离2000年有15年的历元差,从图1可以看出,15年时间岁差的影响最大达到27 km左右,因此应该考虑岁差因素。从图2看,章动的影响相对较小,为百米量级,最多不超过300 m;尽管章动的影响相对较小,但对于需要高精度跟瞄的某科学实验而言,章动也是必须予以考虑的影响因素之一;图3仿真结果显示:地球自转的影响可以达到数千甚至10 000 km, 可见,地球自转是主要的影响因素,坐标系转换时地球自转因素是必须予以考虑的。

考虑到地球板块运动、固体潮等效应,地面站存在某种程度上的站坐标误差,通常可以在地面站位置三分量中加5 cm的随机误差来加以考虑。地面站位置三分量各加5 cm的随机误差对J2000坐标系下站位置的影响可以达到约2.4 m左右,如图4所示。由于星上GNSS接收机本身的定位精

度为10 m量级,因此地固系下地面站5 cm的随机误差引起的J2000坐标系下站位置变化是可以接受的。

对地面站指向解决方案一:

目前,星上软件算法中一般已考虑了全部106项的章动项,岁差模型采用IAU1980模型,极移和地球自转采用列表法或15参数法来实现, 列表法中列表数据更新周期为3个月上注一次。一般情况下,在星载GNSS接收机上所采用的软件算法,从WGS-84→2000转换时会产生分米级的误差。GNSS接收机星上定位精度可以达到10 m量级,可以满足一般飞行器对位置精度要求。地面站坐标自WGS-84至J2000的坐标转换工作可以安排在星载GNSS接收机模块中来完成。这样,基于预先注入的WGS-84站坐标数据,星载GNSS接收机经坐标转换处理后给出J2000站坐标数据,供姿控系统对地面站指向时所需的J2000坐标系下地面站坐标数据。基于J2000坐标系下的地面站坐标及飞行器位置,可以进而得到站-星矢量。该矢量可以作为飞行器姿态控制指向导引约束。

对地面站指向解决方案二:

另外,作为备份方案,可以通过地面站处理终端来事先完成地面站坐标自WGS-84至J2000坐标的转换工作,从而将J2000坐标系下的地面站坐标数据提前若干轨时间注入飞行器,供姿控系统对地面站指向时使用,飞行器本身的J2000坐标数据仍然由GNSS接收机给出。由于需要将预报好的地面站J2000坐标数据上注飞行器,因而需要有合适的地面站来支持数据注入。以国内7个有代表性测站为例,即测站1、测站2、测站3、测站4、测站5、测站6、测站7等,图5示出了5°以上观测仰角情况下,一周时间内可供地面站J2000坐标数据上注的候选时段。

从飞行器过境所选取的7个测站时段数据统计表明,每次可供数据注入的平均时间约为483 s, 最长时间619 s,最短时间83 s.

2　结束语

基于地固系、J2000坐标系的转换关系,对某科学实验飞行器的J2000坐标系下站星相对矢量构建的过程给出初步分析,并提出了对地面站指向的两种可行实现方案。以两种指向实现方案互为备份,这将大大提高飞行器姿控系统对地面站指向的可靠度,有利于该种姿态指向模式的有效实现。

[1]章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制 [M].北京:中国宇航出版社,1998.

[2]孙宝祥,李铁寿. 三轴稳定通信卫星在地球指向模式下的陀螺标定[M].航天控制,1994(3):64-68

[3]刘林.人造地球卫星轨道力学[M].北京:高等教育出版社,1992.

[4]刘林.人造地球卫星运动理论[M].北京:科学出版社,1974.