卫星轨迹跟踪控制的参数化方法

卫星轨迹跟踪控制的参数化方法（通用3篇）

篇1：卫星轨迹跟踪控制的参数化方法

卫星轨迹跟踪控制的参数化方法

在卫星轨迹控制系统的状态空间模型的基础上,通过分析卫星的轨道动力学方程,给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述;基于线性系统的`特征结构配置和模型参考理论提出一种卫星轨迹跟踪控制的参数化方法,设计系统的反馈镇定控制器和前馈跟踪控制器.分别进行卫星悬停和绕飞两种指令下的仿真.仿真结果表明,提出的控制方案是行之有效的.

作 者：段广仁 谭峰 张世杰 顾大可 DUAN Guangren TAN Feng ZHANG Shijie GU Dake 作者单位：哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心,哈尔滨,150001刊 名：空间控制技术与应用英文刊名：AEROSPACE CONTROL AND APPLICATION年，卷(期)：34(5)分类号：V448.2关键词：卫星轨迹跟踪 参数化方法 模型参考 悬停 绕飞

篇2：基于两行轨道参数的卫星跟踪应用

卫星作为一类重要国家装备,已在军事、气象、地质、农业、能源、交通等众多经济和政治领域发挥作用[1]。作为卫星系统的重要组成部分,地面站的天线伺服系统控制天线对目标的跟踪是系统重要的一环。与大型地面站的多个计算机组网系统不同,小型移动式地面站往往只能提供少量计算机来处理信息[2]。如何在资源有限的前提下完成卫星伺服跟踪的诸多功能,是值得探讨的问题。本文介绍的卫星伺服跟踪测控软件,利用单块CPCI计算机,基于Visua C++开发而成。它以星载任务管理为核心和驱动,来进行高数据率的伺服引导,并完成伺服跟踪数据的采集、显示和存储。此外,还可提供伺服跟踪效果测试。

人造地球卫星绕地心做圆锥曲线运动,其运动基本规律满足开普勒3定律,即:第一定律(轨道定律):卫星轨道为一椭圆,地球在椭圆的一个焦点上;第二定律(面积定律):卫星在过地球质心的平面内运动,即卫星的向径(卫星至地球的连线)在相同的时间内扫过的面积相等;第三定律(周期定律):卫星运行周期取决于轨道的半长轴(与半长轴的二分之三次方成正比)[3]。根据开普勒3定律,人造地球卫星在空间的瞬时位置可由以下6个轨道参数确定:(1)轨道半长轴a:轨道长轴值的一半;(2)轨道偏心率e:椭圆两焦点的距离和长轴比值,0<e<1,圆轨道的e=0;(3)轨道倾角i:轨道平面和地球赤道平面的夹角,对于位于赤道上空的同步静止卫星来说,倾角为0;对极轨卫星,倾角约为90°;(4)升交点赤经Ω:卫星从南半球运行到北等:卫星由南到北穿过地球赤道平面时,与地球赤道平面的交点叫做升交点这个点和春分点对于地心的张角称为升交点赤经;(5)近地点幅角ω这是近地点和升交点对地心的张角;(6)过近地点时刻z:即卫星通过近地点的时间。指轨道平面上卫星运动的起量点,为时间的函数,以年月日时分秒来表示,确定卫星在轨道上的瞬间位置。a与e这两个要素决定了轨道的大小、形状。i与Ω这两个量决定了卫星轨道平面在空间的位置。

1. 卫星星历

美国的Celest rak在卫星轨道6要素的基础上,发明并创立了卫星星历,又称两行轨道参数(TLE、Two2Line Orbital Element)或卫星轨道参数。它以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系来确定卫星的时间、坐标、方位、速度等各项参数,具有极高的精度,主要用于对人造地球卫星的计算、预测、测量、跟踪、定位、接收等[4]。北美联合防空司令部(NORAD)、美国航天司令部(USSC)以及美国宇航局(NASA)都采用了两行轨道数据来计算、预测、跟踪、定位卫星,在北美联合防空司令部(NORAD)的网站上提供各种卫星如资源卫星、气象卫星、GPS卫星等的卫星星历数据库,并定时更新[5]。

1.1 两行轨道参数格式结构

两行式轨道数据是美国的北美防空联合司令部(NORAD)创立的用于描述卫星位置和速度的表达式,它由以下几部分组成:

第0行是一个最长24字符的卫星通用名称;第1行和第2行是标准的两行式轨道数据格式(TLE格式:Two-Line Orbita Element Set Format),每行69个字符,包括0-9,A-Z(大写),空格,点和正负号,除此之外的其他字符都是无效的。

1.2 两行轨道参数含义

以我国北斗卫星的两行参数为例进行说明。

第一行

2. 卫星星历移动式卫星地面站伺服跟踪的设计

小型移动式卫星地面站伺服跟踪测控软件设计采用多模块配合工作方式,具体由进程调度模块、数据转换模块、伺服引导模块及伺服回馈模块组成。各模块在任务管理模块的统一管理调度下,有序进行各项工作,配合完成卫星跟踪任务。

3. 软件实现

3.1 进程调度

进程调度模块作为伺服跟踪测控软件的核心模块,对其他软件模块的执行进行调度。进程调度模块由任务的加载、执行及删除等组成。用户通过人机交互界面,采用菜单方式自动或人工加载跟踪任务,如图1,用于引导天线对卫星的跟踪处理。

在软件的具体实现过程中,欲设置的单个任务提示起始日期、起始时间、终止日期、终止时间,如果当前时间达到起始时间则进程启动,并控制伺服引导天线跟踪卫星。

3.2 数据转换

任务设置时,提供的是卫星轨道参数信息,输出要求为地面站天线的地面惯性坐标系。所以需要将参数由地理坐标转换为地面惯性坐标。该功能由数据转换模块完成,它先将解算指定时间的卫星轨道参数信息,得到卫星地理坐标,再结合GPS获取的站址位置,得到卫星相对于伺服天线的地面惯性坐标,结合时间,就可得到该时刻伺服引导数据。此时的数据时间精确度为秒。

地理坐标到地面惯性坐标系转换方法采用保角的圆锥投影如图2所示,经验证精度能精确到小数点后第3位。

设投影点经纬度分别为long、lat,地面惯性坐标系原点P经纬度为long1、lat1,投影点在地面惯性坐标系中坐标为(x,y),计算公式如下:

3.3 伺服引导

解算出的卫星位置信息是以秒为间隔的,为使天线运行平滑,还需对数据进行平滑处理。即将两秒之间的位置进行50等份细化,每20毫秒发出一份当前时刻的位置信息,即可避免跟踪时天线将要出现的顿挫现象。另外在天线过顶时也需作处理,以保障跟踪的稳定性。

3.4 伺服回馈

在伺服引导过程中,能够实时采集和显示伺服回馈的跟踪数据。并与控制数据按时间进行记录,便于事后查询,并能实时通过采用误差曲线的方式。进行图表、曲线的绘制,便于对天线误差的观察分析。

4. 结论

卫星星历是测量卫星、跟踪卫星、定位卫星的根本要素。从卫星星历中,我们可获知卫星的位置并与之进行双向通讯。为了准确跟踪卫星特别是太阳同步轨道卫星,必须检查每天下载的卫星星历的TL E历时,确保它是最新的。

本跟踪软件实现了对卫星的跟踪测控,以有限资源完成了伺服跟踪的诸多功能。通过实际应用,运行效果良好。因采用模块化的设计,软件具备良好的复用性和扩展性。

参考文献

[1]王秉钧,王少勇,田宝玉,等.现代卫星通信系统[M].北京:电子工业出版社,2004.

[2]马瑞峰,郭陈江.基于遥感卫星地面站伺服控制系统的研究[J].计算机测量与控制,2005,13(7):688～690.

[3]任萱.人造地球卫星轨道力学[M].长沙:国防科技大学出版社,1988.

[4]刘林.航天器轨道理论[M].北京:国防工业出版社,2000.

篇3：UG的参数化建模方法

关键词：建模；设计；参数化；UG

1 参数化建模概念

参数化建模技术是UG软件的精华，是CAD技术的发展方向之一。在整个产品开发过程中，Unigraphics提供给设计人员强大的设计功能。但怎样才能使产品之间在设计过程中产生关联，以实现产品的各零部件间的协同变化、快速修改，提高产品设计的效率，减少设计人员的工作量，这些都可以通过参数设计来实现。

参数是设计过程中的核心。参数化设计也可称为尺寸驱动，是指参数化模型的所有尺寸，部分或全部使用相应的表达式或其他方式指定，而不需要给出指定具体数值的方法。参数化设计是可以修改若干个参数，由UG NX自动完成表达式中或与之相关联的其他参数的改变，从而方便的修改了一条曲线、一个轮廓，甚至生成新的同类型模型。其本质是在保持原有图形的拓扑关系不变的基础上，通过修改图形的尺寸（即几何信息），而实现产品的系列化设计。

2 参数化建模分类

对产品进行设计建模的基础是对产品的了解程度。只有在了解了产品的结构特性及产品的设计意图为基础上，才能更好的对产品设计和建模。设计时要根据零件产品的结构特性，设计出零件各个部分的拓扑关系，最终把设计者的设计意图通过UG的参数化工具反映到零件产品的设计建模中。设计过程是一项很艰巨的任务，从提出设计方案到最终完成要经历漫长的积累，这期间还要不断的修改。因此，从这个意义上讲，建模的过程就是不断修改的过程。利用UG进行参数化设计的优势就是能够方便的对产品模型进行修改，减少设计人员的劳动量，提高产品设计效率。

2.1 使用表达式进行参数化建模

表达式是UG中进行参数化设计的一个非常重要的手段。表达式的特点是把各参数之间的关系通过指定各参数的函数关系来表达。可以把参数定义为具体数字、三角函数、数学计算公式，或者把几个参数用数学运算符连接使其产生关联。如想对零件进行修改，只要改变表达式中一个或几个参数就可以实现。将这种易于修改的特性应用到汽车、航天等领域，可实现系列化零件设计。

在UG NX表达式操作中，会弹出“编辑表达式”对话框。在此对话框中，可以对有特殊意义的表达式重命名，便于和其他表达式区别，同时利于查找。对表达式也可以加注解，用来描述该表达式的含义。例如，齿轮的分度圆直径可以表达为齿轮齿数的函数。当齿轮的齿数发生变化时，只需修改齿数参数，则齿轮的分度圆直径也自动随之改变。

在整个建模过程中，如有某个表达式引用很频繁，为了便于记忆与输入，可给它输入一个简单易记的名称（如半径可用R表示）。在设计完成后，再将其名称改为一个更具易于识别的名称即可。

2.2 利用电子表格进行参数化建模

在表达式操作功能中，UG NX提供了通用的电子表格、“用户入口”（Gateway）电子表格、编辑表达式的电子表格和建模应用电子表格，共四种电子表格。每一种电子表格与部件的关系都略有差异，与其功能都略有不同，各具特点，需灵活运用。

电子表格能作为.prt文件保存。在电子表格中可以对表达式进行编辑，也可以创建函数公式和注解等信息。为了更好的使用这些强大的参数化工具进行建模设计，在建模之初就应提前理清思路，以减少反复修改的工作量。

电子表格的创建步骤，首先是参数化模型的创建，然后是电子表格的创建。参数化模型创建后，模型中的尺寸和位置含有若干参数。创建电子表格后，需把这些参数一一摘出，输入到电子表格中，再对参数分别定义，使参数与模型尺寸和位置分别对应。通过使用电子表格，使得模型尺寸与表格中的参数建立了联系。此时，若想对模型结构进行调整，可以直接通过修改电子表格中的若干参数来轻松实现。此时的参数化模型也可通过改变参数成为多个同结构不同尺寸和位置的新的模型零件。因而可大大减少重新建立模型、修改模型所花费的时间和精力，提高了工作效率。

2.3 基于特征进行参数化建模

UG NX的建模包含几何建模和特征建模两种方式。其提供的设计特征多达十数种。特征可拥有如下状态：被抑制（suppressed）、过期的（out-of-date）、父特征过时（parent is out of date）和不激活（inactive）。

UG NX的参数化建模的最核心技术就是基于特征的参数化建模。现在的产品模型不仅要包含各要素的尺寸、各结构的位置等信息，还要有产品的精度、公差、注释等信息。可以说UG NX是第三代CAD技术的典型代表。其与前一代产品比较，更符合当代技术飞速发展，零件产品要求更高的趋势。

3 数化建模应用

参数化建模以其自身快速、高效、简单易用的特点得到了广泛的应用，在汽车、航天、机械零件、模具加工、医疗器械等行业都使用较多。除了上述行业可以应用在单一零件设计以外，利用参数化设计模型还可以进行零件的系列化产品建模。系列化产品建模其中最重要的工作就是对需要系列化建模的零件产品进行分类，确定零件样板。此样板要求必须具备此系列零件的所有特征。在确定了零件样板的基础上，接下来，需选取一组合适的参数来定义模型。在众多的模型尺寸中究竟选择哪个尺寸做参数是个值得深究的问题。此参数选择不正确，直接会影响到参数化模型的生成速度和优化程度。在这些前期工作完成的情况下，设计人员可以对关键参数进行修改，改变模型的尺寸和不同部件间的位置数值，以得到系列化零件。

综上所述，UG参数化建模主要是维持模型的拓扑关系基本不变，通过尺寸驱动模型，即改变模型的尺寸，或改变表达式中的参数值来实现模型的重建，适合结构类似或同系列的产品设计。UG提供的参数化设计技术，是较为高级的建模手段，设计人员不需要投入大量精力掌握其建模方法，易于理解和操作，也为产品设计的各环节提供必要的信息支持。而且，利用参数化设计可以极大的提高设计效率，被越来越广泛的应用。

参考文献：

[1]UG NX6.0 零件与装配设计[M].清华大学出版社.

[2]关意鹏，关来德.基于Excel参数表的三维零件库的设计.