2009c卫星和飞船的跟踪测控优化模型论文

2009c卫星和飞船的跟踪测控优化模型论文 卫星和飞船的跟踪测控优化模型论文 摘要: 火箭或飞船在轨道飞行过程中，测控网的覆盖范围要尽量大。理论上建立的观测站点越多，测控系统的覆盖率就越高。每增加一个观测站，覆盖率就可以增加。测控站数目跟卫星距离地点的高度，测控站的有效视角，地球半径等因素有关。在所有测控站都与卫星或飞船的运行轨道共面的情况下，地球的自转不影响测控站对卫星和飞船的观测。只要测控站建设在赤道上，且有效测控应保证卫星和飞船在两个测控点的有效监控视角的交点上。这种情况下对卫星和飞船进行全程跟踪测控所需测控站数最少。按照这个思路可以求出所需的测控点数量为N? (N为整数)，γ示两观测点间所夹的圆心角的一半。经计算，当卫星到地面之间最近距离与地球半径可比拟时，即大于1.2地球半径时需要的测点数最少为3个。小于1.2倍地球半径时需要的测点数就会增加。根据神七的一些数据，最少应建10个测控点。如果一个卫星或飞船的运行轨道与地球赤道平面有固定的夹角，存在经度差异。这时卫星或飞船所扫过的地球表面要比在赤道上运行时多的多。见图1阴影部分。如果要实现对卫星和飞船的全程跟踪测控的目的，则应该在其扫过区域建设更多的测控站点。在共面情况下得出的方法对解决这一问有很大启示作用。可以设想在卫星和飞船扫过的区域，平行于赤道做N个剖面(应该为奇数个)，在剖面与地球形成的圆上，按照类似于在赤道圆上的建站方法进行布局。剖面间的距离取决于相邻两个平面上两个对应测控点的有效监控视角的大小。只有在每一个剖面圆上建的测控站能够全程跟踪测控本区域的卫星和飞船，才能对该卫星或飞船可能飞行的区域全部覆盖以达到全程跟踪测控的目的。具体数量取决于卫星或飞船的运行轨道与地球赤道平面有固定的夹角，及离地面高度为等条件。在上个模型的基础上，总的覆盖率为各球面覆盖率之和。收集我国一个卫星或飞船的运行资料和发射时测控站点的分布信息。将这些测控站近似处理到最近的一个剖面，就可以近似得出一个实际测控系统的卫星所能测控的范围。带入上述模型中可以计算出测控点的测控覆盖率为16%。 问题三:收集我国一个卫星或飞船(如神七)的运行资料和发射时测控站点的分布信息，利用这些信息对模型二进行验证，得到实际中测控点的分布与模型中测控点的分布状况相接近，然后通过模型得到测控点的测控覆盖率。 据有关资料显示，没有中继卫星之前，“神舟”飞船的测控覆盖率测控率为12%。通过模型计算得到的结果为16%，存在误差，仅仅从用最少的测控点来实现对卫星或飞船的运行进行全程跟踪测控这个角度来建立模型求解，往往会忽略一些本该考虑进去的影响因素，比如本模型就忽略了地形因素，测控设备的工作环境，测控站能否均匀分布，理想状况下测控点之间的测量区域重合的部分太多等因素的影响。从而会导致结果误差的存在，因此在改进模型时，有必要考虑多方面的影响因素。 关键词:跟踪测控;覆盖率;测控检验 一、问题重述 卫星和飞船在国民经济和国防建设中有着重要的作用，对它们的发射和运行过程进行测控是航天系统的一个重要组成部分，理想的状况是对卫星和飞船(特别是载人飞船)进行全程跟踪测控。 然而这种“理想状态”一般来说是不可能达到的，因为地面测控资源是有限的，测控设备只能观测到所在点切平面以上的空域，且在与地平面夹角3度的范围内测控效果不好，实际上每个测控站的测控范围只考虑与地平面夹角3度以上的空域。在一个卫星或飞船的发射与运行过程中，往往有多个测控站联合完成测控任务。 为此对卫星或飞船进行跟踪测控，应该对以下问题进行研究: 1.在所有测控站都与卫星或飞船的运行轨道共面的情况下至少应该建立多少个测控站才能对其进行全程跟踪测控, 2.如果一个卫星或飞船的运行轨道与地球赤道平面有固定的夹角，且在离地面高度为H的球面S上运行。考虑到地球自转时该卫星或飞船在运行过程中相继两圈的经度有一些差异，问至少应该建立多少个测控站才能对该卫星或飞船可能飞行的区域全部覆盖以达到全程跟踪测控的目的, 3.收集我国一个卫星或飞船的运行资料和发射时测控站点的分布信息，分析这些测控站点对该卫星所能测控的范围。 二、模型假设与符号说明 (一) 模型假设 1.测控设备的选址不考虑地形因素的影响。 2.气候因素不影响飞船及测控设备的正常工作。 3.测控设备的性能和质量都是合格的，并且能24小时连续工作。 4.不考虑采用中继卫星测控技术。 5.航天测量船的大型测控通信天线密集在甲板上，天线对目标跟踪的视角受到许多限制，电磁环境复杂，这些均忽略不计。 6.航天测量船在航行的条件下对飞船进行测控和通信，受到船舶在前进方向上的运动、升沉和船体摇摆的影响，这些均忽略不计。 7.测控船要长时间远航到预定海域执行任务，天气海况复杂，测控通信设备的工作环境恶劣，这些均忽略不计。 (二) 符号的说明 1.R表示地球半径。 2.H表示卫星或飞船的运行轨道到地面之间的距离。 3.γ表示两观测点间所夹的圆心角的一半。 4.α表示卫星或飞船的运行轨道与地球赤道平面的夹角。 5.Sn表示每个纬线上测控点的个数。 6.S表示全程临测所需要的所有控点数。 7.h表示卫星到地面之间最近距离。 8.R1表示卫星到地心之间的距离。 9. Rn表示测控点所在的面与球面S所形成的截面半径值 10.L0表示测控点在球面s上所测控的最大圆弧长L的一半。 11.L表示测控点在球面s上所测控的最大圆弧长。 12.β表示测控点弧L0在球心上对应的圆心角。 13.m表示截面个数。 三、问题的分析 航天测控的难度主要表现在以下几点:一是要求高可靠。运载火箭的发射是一次性的，打出去后不可能再来第二次。并且火箭发射任务要求很高，一旦出现事故，就会造成很大的损失。火箭飞行中要不断输入指令，进行飞行控制，测控可靠性不高，发射的危险性就增大;二是高实时。航天测控需要实时把数据传下来，根据传送下来的数据，作出实时判断。这时间是用毫秒计算的;三是高精度。所有测量数据都要求高精度，没有精度就谈不到航天测量控制;四是高覆盖。火箭或飞船在轨道飞行过程中，测控网的覆盖范围要尽量大。我国领土范围有限，在960万平方公里中开展航天活动，是不够的。所以要向海洋、向海外拓展点。理论上建立的观测站点越多，测控系统的覆盖率就越高。理论上讲，每增加一个观测站，覆盖率就可以增加。但100%只是个理论数字，实际上很难做到。 测控站数目跟卫星距离地点的高度，测控站的有效视角，地球半径等因素有关。在所有测控站都与卫星或飞船的运行轨道共面的情况下，地球的自转不影响测控站对卫星和飞船的观测。只要测控站建设在赤道上，且有效测控应保证卫星和飞船在两个测控点的有效监控视角的交点上。这种情况下对卫星和飞船进行全程跟踪测控所需测控站数最少。 如果一个卫星或飞船的运行轨道与地球赤道平面有固定的夹角，存在经度差异。这时卫星或飞船所扫过的地球表面要比在赤道上运行时多的多。见图1阴影部分。如果要实现对卫星和飞船的全程跟踪测控的目的，则应该在其扫过区域建设更多的测控站点。在共面情况下得出的方法对解决这一问题有很大启示作用。可以设想在卫星和飞船扫过的区域，平行于赤道做N个剖面(应该为奇数个)，在剖面与地球形成的圆上，按照类似于在赤道圆上的建站方法进行布局。剖面间的距离取决于相邻两个平面上两个对应测控点 的有效监控视角的大小。只有在每一个剖面圆上建的测控站能够全程跟踪测控本区域的卫星和飞船，才能对该卫星或飞船可能飞行的区域全部覆盖以达到全程跟踪测控的目的。具体数量取决于卫星或飞船的运行轨道与地球赤道平面有固定的夹角，及离地面高度为等条件。 收集我国一个卫星或飞船的运行资料和发射时测控站点的分布信息。将这些测控站近似处理到最近的一个剖面，就可以近似得出一个实际测控系统的卫星所能测控的范围。从而也能验证模型的实用性，及存在的问题。 图1 卫星或飞船所扫过的地球表面示意图 四、模型的建立与求解 4.1 测控站都与卫星或飞船的运行轨道共面情形 图 2 相邻两测控点位置 如图2由正弦定理得: x/sinγ=(h+R)/sin93? …… (1) 当h<设计

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