空間物體軌道攝動解析計算方法 編制說明

1本標準是國標委發(fā)[2024]18號下達應(yīng)用標準化技術(shù)委員會（SAC/TC425）提出并歸口，#分技術(shù)委員會（SAC/TC構(gòu)完成，但隨著空間技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，除了專門機構(gòu)外，科衛(wèi)星用戶一般都會適當發(fā)展自身能力，保障自身資產(chǎn)。在用現(xiàn)有、成熟的軟件算法開展計算。一方面可以降低開發(fā)用算法的計算結(jié)果一致性好，在數(shù)據(jù)交換過程中也更加在空間碎片監(jiān)測預警業(yè)務(wù)之外，通用、高效的軌道攝動計算域其他場景中。在測控方面，這類算法可以實現(xiàn)瞬時根數(shù)與平航天，目前多以衛(wèi)星組網(wǎng)提供通訊、導航、遙感服務(wù)為著眼點，這使用美國軍方的SGP4/SDP4模型（以下簡稱SGP4模型）用于快速2勒根數(shù)，也沒有定義在常規(guī)坐標系下。這既不符合相關(guān)學科的天系統(tǒng)常用的定義和接口不同。由于依賴SGP4，用戶有時不得布并實施。該規(guī)范采用主流、常規(guī)的模型和定義，與航天領(lǐng)域的從應(yīng)用和推廣的角度，無論是專門的空間碎片監(jiān)測機構(gòu)、和應(yīng)用并不熟悉的普通衛(wèi)星用戶，都需要符合該數(shù)據(jù)規(guī)范、兼容常規(guī)本標準主要規(guī)范了空間物體軌道攝動解析計算中的概念和標準計劃下達后，全國宇航標委會成立標準起草組，由南京起草單位主要包括：南京大學、中國科學院國家天文臺、峰椿負責標準內(nèi)容大綱制定、資料收集分析、技術(shù)參數(shù)的確定2024年7月，起草組在充分調(diào)研國內(nèi)外技術(shù)和標準現(xiàn)狀基草規(guī)則》的規(guī)定編寫，緊密結(jié)合工程任務(wù)實踐，注重標準3本標準規(guī)定的概念和方法以航天器軌道基本理論為基礎(chǔ)分方程解析理論推導。計算方法自上世紀七十年代開始應(yīng)本標準可以用于軌道根數(shù)的瞬平轉(zhuǎn)換、軌道預報、精密定軌間目標監(jiān)測預警，也適用于衛(wèi)星測控、星上預報等領(lǐng)域。本標準本標準采用的計算公式考慮了未來擴展的可能，可以通過適本標準充分考慮了現(xiàn)有航天、空間、天文領(lǐng)域的研究和本標準主要適用于環(huán)繞地球運行的空間物體的瞬平根數(shù)轉(zhuǎn)等計算?？梢杂糜诳臻g碎片監(jiān)測預警中的目標編目、碰撞風險計控、衛(wèi)星導航等領(lǐng)域或適用型號中的軌道維持、天基或本標準的ICS國際分類號為49.140，CCS4基本要求：描述軌道攝動解析計算方法采用的時間系統(tǒng)46基于空間物體軌道攝動解析計算方法的業(yè)務(wù)流程：描為基礎(chǔ)，常規(guī)業(yè)務(wù)的計算流程，包括瞬時根數(shù)轉(zhuǎn)平均根數(shù)，平均解析計算公式采用地球時（TT）作為內(nèi)部計算的時間系統(tǒng)，符合學科和行業(yè)習慣。相較于常用的協(xié)調(diào)世界時（UTC）、世界時（UT1），解析計算公式采用J2000.0歷元平赤道平春分點參考系或地心天球參考義的坐標系。這兩個坐標系相差約0.02角秒，是目前學科和行是較新的定義和實現(xiàn)，精度更高，但前者目前在部分場景中仍標準的模型和方法下并無影響，基于此并考慮到對行業(yè)的廣為了適應(yīng)各種類型的橢圓軌道，本標準使用消除了e=0,i=為解析公式使用的軌道根數(shù)。這可以保證標準中的解析公式考慮到輸入輸出的需求，本標準提供了經(jīng)典的開普勒根數(shù)、直量）與無奇點根數(shù)的轉(zhuǎn)換算法，前者可以直接與GB/T43223-2023中本標準中定義的基本模型指的是攝動作用下空間物體軌本標準中將空間物體軌道在某個瞬時真實的狀態(tài)定義為征。消除周期不超過軌道周期的短周期項后剩余的稱為平均軌道均根數(shù)在不同歷元之間發(fā)生變化。短周期項和平根數(shù)在不同歷元5這一模型符合空間物體在攝動作用下的實際軌道變化特前述定義的基本模型規(guī)定了空間物體軌道的變化過短周期項、變化項這些概念進行描述。而這些概念的具體本標準中解析公式的推導以常微分方程解析理論中的攝十年代至七十年代由古在由秀、劉林等天體力學家們逐步這套方法和公式從上世紀六七十年代開始，在我國相關(guān)十年中，這套方法和公式經(jīng)過了航天測控、空間碎片監(jiān)測預警、衛(wèi)星本標準在資料性附錄中列出了推薦的解析公式。這套公行了適當?shù)恼{(diào)整，并充分考慮了標準應(yīng)用于空間碎片SGP4（低軌）和SDP4（高軌本標準會判斷四種類型的軌道，自動精度之間選取平衡。以SGP4這個目前的“事實標準”為參考，本標準況下，解析公式可以進一步裁剪以實現(xiàn)更高的計算效率，本標準附錄中的解析公式的編制從空間碎片監(jiān)測預警及其發(fā)，以高效、方便為首要因素。據(jù)此，本標準附錄中推薦6素具體的組合及建模和空間物體的軌道類型有關(guān)，因此附錄中計算公式時會注明，哪些類型的軌道需要考慮該攝動，哪些類類型一類型一地球非球形引J2,J3,J4地球非球形引J22,J31,J32,J33首先，沒有考慮光壓、潮汐、相對論效應(yīng)等對本素。這可以從下面的圖像中看出來。并且上述部分因素的7其次，地球非球形引力攝動考慮低階次帶諧項和可能對12小時振的低階次田諧項。部分田諧項中的周日、半日、1/3日、1/4日周第三，大氣密度隨高度變化的表格化數(shù)值呈現(xiàn)。為簡化對最后，軌道高度分界1500km用于區(qū)分是否考慮大氣阻力，高度分是否需要考慮田諧項共振（12小時軌道對應(yīng)高度約為20000km偏心這樣的攝動因素組合一方面考慮到計算精度，另一方面效率的影響。本標準中解析公式對應(yīng)的攝動模型是本標準規(guī)定的內(nèi)容可以用于空間物體軌道的瞬平根數(shù)轉(zhuǎn)化、計算，這些計算在各類航天領(lǐng)域中均可應(yīng)用。本標準中空間物體8利用符合本標準的解析計算方法、公式及業(yè)務(wù)流程，可數(shù)轉(zhuǎn)化為平均軌道根數(shù)，從而更好地分析軌道的變化趨勢，進而可利用符合本標準的解析計算方法、公式及業(yè)務(wù)流程，同時可以將平均根數(shù)“復原”選取19組低軌目標（高度不低于200km）、10組中軌目標、10組同步大橢圓軌道目標。利用數(shù)值方法預報24小時，每個周期選取約100個計算方法將這些目標的瞬時軌道逐點轉(zhuǎn)為平的平根用二次函數(shù)擬合，以擬合殘差中位數(shù)評估平均根數(shù)中殘余圖所示，其中橫軸為每個目標的軌道類型及國際編號精密定軌或軌道預報可以用于空間碎片監(jiān)測預警、航天器測控9對于精密定軌或軌道預報過程中生成受攝星歷的過程，利用8精密定軌或軌道預報可以用于空間碎片監(jiān)測預警、航天器測控9對于精密定軌或軌道預報過程中生成受攝星歷的過程，利用864201/1977-117A 1/1977-121A 1/1978-018A 1/1979-050A 1/1981-037D 1/1981-044A 1/1983-023A 1/1984-084A 1/1989-025A 1/1997-030G 1/2014-053A 1/2016-059E 1/2018-084B1/2021-005W 1/2022-003B 1/2022-012T1/2023-054AU 1/2023-155C 1/2024-106Y 2/1977-053A 2/1978-020A 2/1983-084B 2/1984-095B 2/1991-025C 2/1993-068A 2/1996-019A 2/2001-004A 2/2006-062B 2/2018-078B 3/1979-072A 3/1983-006A 3/1983-065A 3/1984-016A 3/1985-048B 3/1995-063A 3/2010-042A 3/2016-052B 3/2021-129A 3/2022-144A 4/1984-033A 4/1985-084A 4/1986-011A 4/1986-098A 4/1987-105A 4/1988-092A 4/1991-022A 4/1998-027A 4/2000-015A4/2004-050A千次耗時（ms） 1/2021-005W 1/2021-005W 對15848個分布在各個類型軌道上的TLE目標，分別使用SGP4和符預報精度方面，對前一組算例中的49個目標分別使用SGP報24小時，每分鐘預報一組軌道。與數(shù)值方法預報星歷比較，并使用最后1據(jù)計算三維位置、三維速度、半長徑、軌道傾角及升交點赤經(jīng)10000100010010.11/1977-1/1977-117A1/1977-121A1/1978-018A1/1979-050A1/1981-037D1/1981-044A1/1983-023A1/1984-084A1/1989-025A1/1997-030G1/2014-053A1/2016-059E1/2018-084B1/2021-005W1/2022-003B1/2022-012T1/2023-054AU1/2023-155C1/2024-106Y2/1977-053A2/1978-020A2/1983-084B2/1984-095B2/1991-025C2/1993-068A2/1996-019A2/2001-004A2/2006-062B2/2018-078B3/1979-072A3/1983-006A3/1983-065A3/1984-016A3/1985-048B3/1995-063A3/2010-042A3/2016-052B3/2021-129A3/2022-144A4/1984-033A4/1985-084A4/1986-011A4/1986-098A4/1987-105A4/1988-092A4/1991-022A4/1998-027A4/2000-015A4/2004-050ASGP4半長徑誤差（m）本標準半長徑誤差（m）SGP4升交點赤經(jīng)誤差（deg）本標準升交點赤經(jīng)誤差（deg）本標準起草組將通過征求意見，聽取各方對本標準的意見/建到本標準中解析計算涉及到較多的數(shù)學公式，為了更好地推廣本并落實各方意見、完善本標準后，在標準發(fā)布前后，適時發(fā)布且在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣的是美國軍方的SGP4/SDP4模型（以下簡稱SGP4SGP4模型以兩行根數(shù)（TLE）作為輸入，數(shù)據(jù)格式及定義均與TLE數(shù)定義不同于經(jīng)典的開普勒根數(shù)，且軌道根數(shù)不是定義在常用的J20系或地心天球參考系（GCRS）中，因此SGP4的輸入數(shù)據(jù)與航本標準使用經(jīng)典的開普勒根數(shù)作為輸入，并且定義在J2000.0（位置速度）這類常用軌道狀態(tài)量與本標準計算SGP4/SDP4模型按照軌道周期將空間物體的軌道分為“近地”針對“深空”軌道，SDP4除了SGP4的模型外，還考慮了日月引力考慮了部分田諧項。為了解決地球引力場與“慣性系”之間的差異，S本標準按照高度將軌道分為三類，并單獨劃分一類偏心率超過0類型的軌道，非球形引力、日月引力攝動都力攝動和坐標系附加攝動。后者是本標準與SGP4的差異之一，直接在歷元標系中建立解析公式并消除坐標系差異帶來的主要影響。類型一還考二也考慮10階次以內(nèi)田諧項產(chǎn)生的周日、半日、1/3日及1/4日周期本標準的模型選取和軌道類型劃分相比SGP4更加精細，SGP4誕生于上世紀七八十年代，簡化的模型及緊湊的公式表達為計算效率。如今該模型在大批量目標計算及星載計算本標準中的模型和公式相較SGP4具有更細致、復雜，因此相比S量。起草組在模型裁剪、公式表達的過