基于STM32低軌衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

何建 曠小兵

【摘要】 ? ?在低軌衛(wèi)星過頂時(shí)間段內(nèi)，衛(wèi)星地面站根據(jù)軌道預(yù)報(bào)完成自動(dòng)跟蹤才能實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星通信。針對(duì)軌道預(yù)報(bào)需要，提出了一種基于STM32單片機(jī)衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)。將軌道預(yù)報(bào)算法進(jìn)行了嵌入式軟件設(shè)計(jì)，滿足于在STM32單片機(jī)上運(yùn)行。該設(shè)計(jì)在保證軌道預(yù)報(bào)精度情況下，系統(tǒng)平臺(tái)較傳統(tǒng)的軌道預(yù)報(bào)方法實(shí)用性強(qiáng)，簡(jiǎn)化預(yù)報(bào)程序和相應(yīng)的上位機(jī)軟件， 提高預(yù)報(bào)效率。

【關(guān)鍵詞】 ? ?軌道預(yù)報(bào) ? ?數(shù)值積分 ? ?衛(wèi)星軌道根數(shù) ? ?STM32單片機(jī)

引言

在低軌衛(wèi)星過頂這段時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星地面站處于低軌衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍內(nèi)，過頂預(yù)報(bào)用到的軌道預(yù)報(bào)算法十分復(fù)雜。大都是采用上位機(jī)軟件進(jìn)行過頂預(yù)報(bào)，再將預(yù)報(bào)結(jié)果下發(fā)給衛(wèi)星地面站。這樣以來，過頂預(yù)報(bào)需要人為操作，而且容易出錯(cuò)，預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)性不高。

為此，本文提出了一種基于STM32低軌衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)位于衛(wèi)星地面站內(nèi)，只需要將預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道根數(shù)下發(fā)給該系統(tǒng)就能進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，操作簡(jiǎn)單、長(zhǎng)時(shí)間全天候預(yù)報(bào)，不需要人為干預(yù)。

一、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路、FLASH存儲(chǔ)電路、GPS接收電路、串口接口電路等組成。系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。

該電路以單片機(jī)STM32F429ZTI6為核心，主要用于控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行以及星歷解算的實(shí)現(xiàn);FLASH存儲(chǔ)電路主要用于存儲(chǔ)計(jì)算章動(dòng)時(shí)需要的DE405星歷數(shù)據(jù)，計(jì)算極移和地球自轉(zhuǎn)角時(shí)需要的EOP數(shù)據(jù)，將這些外部數(shù)據(jù)從得到的原始數(shù)據(jù)中提取出來，存放在二進(jìn)制文件中，以提高計(jì)算程序的效率;GPS接收電路主要用于接收地面站的位置、速度和時(shí)間信息;串口接口電路主要用于將衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)結(jié)果輸出給地面站，接收衛(wèi)星軌道根數(shù)的輸入。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的軌道參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算出衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和高度，結(jié)合地面站位置坐標(biāo)，計(jì)算出地面站天線指向衛(wèi)星的方位角和俯仰角。

2.1數(shù)值積分

Cowell法是求解航天器運(yùn)動(dòng)微分方程時(shí)最為簡(jiǎn)單的數(shù)值積分算法——它直接對(duì)運(yùn)動(dòng)方程在J2000.0赤道慣性坐標(biāo)系中的分量形式進(jìn)行數(shù)值積分：

式中：

μ——地球引力常數(shù);

fx、fy、fz——分別為三軸攝動(dòng)加速度，主要包括地球形狀攝動(dòng)、大氣阻力攝動(dòng)、日月攝動(dòng)、太陽光壓攝動(dòng)。

2.2地面站天線指向

地面站指向衛(wèi)星的矢量s在WGS-84坐標(biāo)系中表示為：

其中：表示衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)

表示地面站在WGS-84坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)

地面站指向衛(wèi)星的矢量s在“北-天-東”坐標(biāo)系中表示為：

地面站指向衛(wèi)星的矢量s在地面站天線本體坐標(biāo)系中表示為：

地面站天線俯仰角

地面站天線方位角

2.3系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)的輸入?yún)?shù)，用單步法起步，開始進(jìn)行軌道積分并依次計(jì)算衛(wèi)星星歷，使用Cowell 數(shù)值積分器軌道預(yù)報(bào)，整個(gè)衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)具體流程見圖2所示。

三、系統(tǒng)驗(yàn)證與分析

3.1 輸入數(shù)據(jù)

以低軌衛(wèi)星為驗(yàn)證對(duì)象，使用美國AGI公司開發(fā)的STK（Satellite Tool Kit，衛(wèi)星工具包）中的HPOP（High Precision Orbit Propagator，高精度軌道預(yù)報(bào)）模型為驗(yàn)證基準(zhǔn)。衛(wèi)星軌道根數(shù)采用表1所示。

3.2計(jì)算結(jié)果及誤差分析

如圖3所示，STK與STM32計(jì)算的方位角與俯仰角預(yù)報(bào)值進(jìn)行對(duì)比分析可知，在低軌衛(wèi)星過頂時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星進(jìn)入可視范圍，方位角180度時(shí)方位誤差最小為0.2×10-3，俯仰角33度時(shí)誤差最大為+0.5×10-3;當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星經(jīng)過頭頂，方位角250度時(shí)方位誤差最大為2.2×10-3，俯仰角68度時(shí)誤差最小為0;當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星離開可視范圍，方位角340度時(shí)方位誤差最大為2.2×10-3，俯仰角33度時(shí)誤差在-0.5×10-3。方位角誤差在10-3數(shù)量級(jí)，俯仰角誤差在10-3數(shù)量級(jí)，誤差范圍很小，滿足低軌衛(wèi)星跟蹤需要。

如圖4所示，STK與STM32計(jì)算的經(jīng)度、緯度、高度進(jìn)行對(duì)比分析可知，在低軌衛(wèi)星過頂時(shí)間段內(nèi)，經(jīng)度誤差在10-5數(shù)量級(jí)，緯度誤差在10-4數(shù)量級(jí)，高度誤差在0.1米以內(nèi)，誤差范圍很小，滿足低軌衛(wèi)星跟蹤需要。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32低軌衛(wèi)星預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)，通過與STK軟件中HPOP模型衛(wèi)星預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與STK軟件星歷預(yù)報(bào)結(jié)果偏差較小，能夠滿足空間低軌衛(wèi)星軌跡預(yù)報(bào)的精度要求。本系統(tǒng)平臺(tái)較傳統(tǒng)的軌道預(yù)報(bào)方法實(shí)用性強(qiáng)，簡(jiǎn)化預(yù)報(bào)程序和相應(yīng)的上位機(jī)軟件， 提高預(yù)報(bào)效率?？蓱?yīng)用于地面衛(wèi)星站跟蹤衛(wèi)星目標(biāo)的需要。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1] 孟祥強(qiáng)，馬廣彬，黃鵬，等.一種大橢圓軌道衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)方法[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2017（3）

[2] 張如偉，劉根友.低軌衛(wèi)星軌道擬合及預(yù)報(bào)方法研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008（4）

[3] 雷偉偉，張捍衛(wèi)，李凱.歲差章動(dòng)模型更新等因素對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影響[J] .飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2016（01）

[4] ?付兆萍，衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值算法研究[D]， ?華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006

[5] ?王威，于志堅(jiān)，航天器軌道確定——模型與算法[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007

[6] ?鄭慧嬈，陳紹林，莫忠息等.數(shù)值計(jì)算方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2002

[7]馬忠梅等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京虹口航天大學(xué)出版社，2003