[發明專利]適用于大偏心率軌道密集星歷精密計算的快速處理方法

有效

• 申請號: 202010011887.X
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111209523B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 徐勁;戴志軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院紫金山天文臺
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11;G06F17/13;G06F17/15
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

本發明提供一種適用于大偏心率軌道密集星歷精密計算的快速處理方法，針對大偏心率軌道計算，提出了一種通過時間變換構造插值基點的新方法，構造出的非均勻插值基點配合插值多項式內插得到密集星歷，該技術方案可顯著提高計算效率和精度。本發明基于大規模數值實驗，給出了對應于不同軌道偏心率和多種插值多項式的時間變換參數的最佳普適數值為0.3。此外，本發明還在時間變換參數取最佳普適數值的條件下，通過比較多種插值多項式的計算效率，確定Hermite插值多項式是一種較好的方法。

技術領域

本發明屬于天體測量和天體力學領域，具體為通過高精密數值方法的合理運用，解決空間目標探測和編目工作中涉及的大偏心率目標精密軌道計算時效性不足的問題，提供一種適用于大偏心率運動目標編目計算的兼具高精度和快速處理的有效技術手段。

背景技術

空間目標的編目和管理涉及復雜的軌道計算工作，處理大量空間目標時除要求軌道計算精度滿足掌控目標運動態勢的需求外，還需重點考慮計算效率問題。編目工作對軌道計算效率的最低要求是確保軌道計算的整體處理時間不大于觀測設備的數據采集時間，以避免產生觀測數據積壓的瓶頸效應，使編目過程難以持續。當前編目工作中廣泛采用的分析方法[Hoots F R，Roehrich R L.Models for propagation of NORAD element sets[R].AEROSPACE DEFENSE COMMAND PETERSON AFB CO OFFICE OF ASTRODYNAMICS，1980；劉林.航天器軌道理論[M].北京：國防工業出版社，2000]，相比數值方法能更好地滿足時效性要求，但隨著觀測技術的發展，它的軌道計算精度(模型誤差數百米)并不能與當前的觀測精度(雷達測距精度優于20米、光學測角精度優于10角秒)相匹配，從而不能達到理想的編目定軌精度，因此數值方法在編目工作中具有潛在的應用價值。

數值方法能實現較高的軌道計算精度，但軌道力學模型即積分右函數較為復雜。在編目工作的軌道計算過程中普遍涉及密集星歷的產生和計算問題，如基于密集觀測資料(采樣頻率≥1Hz)進行軌道改進和密集點位預報，因星歷點分布密集，積分步長不能得到充分伸展，右函數計算次數大大增加，嚴重降低數值方法的計算效率，避免這一問題的有效技術手段就是運用內插方法。

目前針對密集星歷產生已存在多種內插方法[雷雨，趙丹寧，等.基于滑動式Lagrange插值方法的GPS精密星歷內插分析[J].測繪工程，2013(02)：38-40；孫騰科.基于拉格朗日與切比雪夫方法的精密星歷插值研究[J].測繪與空間地理信息，2014(2)；汪威，陳明劍，等.北斗三類衛星精密星歷內插方法分析比較[J].全球定位系統，2016(2)：60-65]，這些方法均采用了按時間間隔均勻劃分的插值基點，研究結果適用于運動特征變化非常平緩的近圓導航星軌道，對于編目工作中經常涉及的運動特征變化較為劇烈的大偏心率軌道并不適用。此外，Adams-Cowell方法也提供了一種針對小偏心率軌道密集星歷計算的較好解決方案，該方法是一種采用定步長積分的多步法，既包含積分公式，也包含在精度上與之相配套的內插公式[黃天衣，周慶林.用一次和的Adams-cowell方法[J].天文學報，1992，33(4)：413-419]，但由于積分步長固定，局部截斷誤差得不到有效控制，再加上數值穩定性等原因，該方法不適用于大偏心率(經驗推定偏心率e＞0.2)軌道計算。單步法能夠靈活地改變積分步長，通過步長變化實現對局部截斷誤差的有效控制，適用于大偏心率軌道的精密星歷計算，但每步需多次計算右函數，且多數單步法并無與積分公式相配套的插值公式，少數單步法，如一些階次的Runge-Kutta類方法[Montenbruck O，GillE.Satellite Orbits-Models，Methods and Applications[J].Applied MechanicsReviews，2002，55(2)]，雖有配套的插值公式，但積分過程較為復雜，此外倘若局限于使用這些少數方法，還會限制其它方法的優化選擇和方便使用，因此針對大偏心率軌道的密集星歷計算問題，不宜單純使用單步法進行積分。