空間物體軌道攝動(dòng)解析計(jì)算方法 編制說(shuō)明

1本標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)標(biāo)委發(fā)[2024]18號(hào)下達(dá)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC425）提出并歸口，#分技術(shù)委員會(huì)（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(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)外，科衛(wèi)星用戶(hù)一般都會(huì)適當(dāng)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(kāi)展計(jì)算。一方面可以降低開(kāi)發(fā)用算法的計(jì)算結(jié)果一致性好，在數(shù)據(jù)交換過(guò)程中也更加在空間碎片監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)之外，通用、高效的軌道攝動(dòng)計(jì)算域其他場(chǎng)景中。在測(cè)控方面，這類(lèi)算法可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)根數(shù)與平航天，目前多以衛(wèi)星組網(wǎng)提供通訊、導(dǎo)航、遙感服務(wù)為著眼點(diǎn)，這使用美國(guó)軍方的SGP4/SDP4模型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SGP4模型）用于快速2勒根數(shù)，也沒(méi)有定義在常規(guī)坐標(biāo)系下。這既不符合相關(guān)學(xué)科的天系統(tǒng)常用的定義和接口不同。由于依賴(lài)SGP4，用戶(hù)有時(shí)不得布并實(shí)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(wú)論是專(zhuān)門(mén)的空間碎片監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)、和應(yīng)用并不熟悉的普通衛(wèi)星用戶(hù)，都需要符合該數(shù)據(jù)規(guī)范、兼容常規(guī)本標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范了空間物體軌道攝動(dòng)解析計(jì)算中的概念和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃下達(dá)后，全國(guó)宇航標(biāo)委會(huì)成立標(biāo)準(zhǔn)起草組，由南京起草單位主要包括：南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、峰椿負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)外技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀基草規(guī)則》的規(guī)定編寫(xiě)，緊密結(jié)合工程任務(wù)實(shí)踐，注重標(biāo)準(zhǔn)3本標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)。計(jì)算方法自上世紀(jì)七十年代開(kāi)始應(yīng)本標(biāo)準(zhǔn)可以用于軌道根數(shù)的瞬平轉(zhuǎn)換、軌道預(yù)報(bào)、精密定軌間目標(biāo)監(jiān)測(cè)預(yù)警，也適用于衛(wèi)星測(cè)控、星上預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。本標(biāo)準(zhǔn)本標(biāo)準(zhǔn)采用的計(jì)算公式考慮了未來(lái)擴(kuò)展的可能，可以通過(guò)適本標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了現(xiàn)有航天、空間、天文領(lǐng)域的研究和本標(biāo)準(zhǔn)主要適用于環(huán)繞地球運(yùn)行的空間物體的瞬平根數(shù)轉(zhuǎn)等計(jì)算?？梢杂糜诳臻g碎片監(jiān)測(cè)預(yù)警中的目標(biāo)編目、碰撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)控、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域或適用型號(hào)中的軌道維持、天基或本標(biāo)準(zhǔn)的ICS國(guó)際分類(lèi)號(hào)為49.140，CCS4基本要求：描述軌道攝動(dòng)解析計(jì)算方法采用的時(shí)間系統(tǒng)46基于空間物體軌道攝動(dòng)解析計(jì)算方法的業(yè)務(wù)流程：描為基礎(chǔ)，常規(guī)業(yè)務(wù)的計(jì)算流程，包括瞬時(shí)根數(shù)轉(zhuǎn)平均根數(shù)，平均解析計(jì)算公式采用地球時(shí)（TT）作為內(nèi)部計(jì)算的時(shí)間系統(tǒng)，符合學(xué)科和行業(yè)習(xí)慣。相較于常用的協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）、世界時(shí)（UT1），解析計(jì)算公式采用J2000.0歷元平赤道平春分點(diǎn)參考系或地心天球參考義的坐標(biāo)系。這兩個(gè)坐標(biāo)系相差約0.02角秒，是目前學(xué)科和行是較新的定義和實(shí)現(xiàn)，精度更高，但前者目前在部分場(chǎng)景中仍標(biāo)準(zhǔn)的模型和方法下并無(wú)影響，基于此并考慮到對(duì)行業(yè)的廣為了適應(yīng)各種類(lèi)型的橢圓軌道，本標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中的解析公式考慮到輸入輸出的需求，本標(biāo)準(zhǔn)提供了經(jīng)典的開(kāi)普勒根數(shù)、直量）與無(wú)奇點(diǎn)根數(shù)的轉(zhuǎn)換算法，前者可以直接與GB/T43223-2023中本標(biāo)準(zhǔn)中定義的基本模型指的是攝動(dòng)作用下空間物體軌本標(biāo)準(zhǔn)中將空間物體軌道在某個(gè)瞬時(shí)真實(shí)的狀態(tài)定義為征。消除周期不超過(guò)軌道周期的短周期項(xiàng)后剩余的稱(chēng)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(xiàng)和平根數(shù)在不同歷元5這一模型符合空間物體在攝動(dòng)作用下的實(shí)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(guò)短周期項(xiàng)、變化項(xiàng)這些概念進(jìn)行描述。而這些概念的具體本標(biāo)準(zhǔn)中解析公式的推導(dǎo)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(xué)家們逐步這套方法和公式從上世紀(jì)六七十年代開(kāi)始，在我國(guó)相關(guān)十年中，這套方法和公式經(jīng)過(guò)了航天測(cè)控、空間碎片監(jiān)測(cè)預(yù)警、衛(wèi)星本標(biāo)準(zhǔn)在資料性附錄中列出了推薦的解析公式。這套公行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并充分考慮了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于空間碎片SGP4（低軌）和SDP4（高軌本標(biāo)準(zhǔn)會(huì)判斷四種類(lèi)型的軌道，自動(dòng)精度之間選取平衡。以SGP4這個(gè)目前的“事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)”為參考，本標(biāo)準(zhǔn)況下，解析公式可以進(jìn)一步裁剪以實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算效率，本標(biāo)準(zhǔn)附錄中的解析公式的編制從空間碎片監(jiān)測(cè)預(yù)警及其發(fā)，以高效、方便為首要因素。據(jù)此，本標(biāo)準(zhǔn)附錄中推薦6素具體的組合及建模和空間物體的軌道類(lèi)型有關(guān)，因此附錄中計(jì)算公式時(shí)會(huì)注明，哪些類(lèi)型的軌道需要考慮該攝動(dòng)，哪些類(lèi)類(lèi)型一類(lèi)型一地球非球形引J2,J3,J4地球非球形引J22,J31,J32,J33首先，沒(méi)有考慮光壓、潮汐、相對(duì)論效應(yīng)等對(duì)本素。這可以從下面的圖像中看出來(lái)。并且上述部分因素的7其次，地球非球形引力攝動(dòng)考慮低階次帶諧項(xiàng)和可能對(duì)12小時(shí)振的低階次田諧項(xiàng)。部分田諧項(xiàng)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(jiǎn)化對(duì)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(xiàng)共振（12小時(shí)軌道對(duì)應(yīng)高度約為20000km偏心這樣的攝動(dòng)因素組合一方面考慮到計(jì)算精度，另一方面效率的影響。本標(biāo)準(zhǔn)中解析公式對(duì)應(yīng)的攝動(dòng)模型是本標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算，這些計(jì)算在各類(lèi)航天領(lǐng)域中均可應(yīng)用。本標(biāo)準(zhǔn)中空間物體8利用符合本標(biāo)準(zhǔn)的解析計(jì)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(shì)，進(jìn)而可利用符合本標(biāo)準(zhǔn)的解析計(jì)算方法、公式及業(yè)務(wù)流程，同時(shí)可以將平均根數(shù)“復(fù)原”選取19組低軌目標(biāo)（高度不低于200km）、10組中軌目標(biāo)、10組同步大橢圓軌道目標(biāo)。利用數(shù)值方法預(yù)報(bào)24小時(shí)，每個(gè)周期選取約100個(gè)計(jì)算方法將這些目標(biāo)的瞬時(shí)軌道逐點(diǎn)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(píng)估平均根數(shù)中殘余圖所示，其中橫軸為每個(gè)目標(biāo)的軌道類(lèi)型及國(guó)際編號(hào)精密定軌或軌道預(yù)報(bào)可以用于空間碎片監(jiān)測(cè)預(yù)警、航天器測(cè)控9對(duì)于精密定軌或軌道預(yù)報(bào)過(guò)程中生成受攝星歷的過(guò)程，利用8精密定軌或軌道預(yù)報(bào)可以用于空間碎片監(jiān)測(cè)預(yù)警、航天器測(cè)控9對(duì)于精密定軌或軌道預(yù)報(bào)過(guò)程中生成受攝星歷的過(guò)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(shí)（ms） 1/2021-005W 1/2021-005W 對(duì)15848個(gè)分布在各個(gè)類(lèi)型軌道上的TLE目標(biāo)，分別使用SGP4和符預(yù)報(bào)精度方面，對(duì)前一組算例中的49個(gè)目標(biāo)分別使用SGP報(bào)24小時(shí)，每分鐘預(yù)報(bào)一組軌道。與數(shù)值方法預(yù)報(bào)星歷比較，并使用最后1據(jù)計(jì)算三維位置、三維速度、半長(zhǎng)徑、軌道傾角及升交點(diǎn)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(zhǎng)徑誤差（m）本標(biāo)準(zhǔn)半長(zhǎng)徑誤差（m）SGP4升交點(diǎn)赤經(jīng)誤差（deg）本標(biāo)準(zhǔn)升交點(diǎn)赤經(jīng)誤差（deg）本標(biāo)準(zhǔn)起草組將通過(guò)征求意見(jiàn)，聽(tīng)取各方對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的意見(jiàn)/建到本標(biāo)準(zhǔn)中解析計(jì)算涉及到較多的數(shù)學(xué)公式，為了更好地推廣本并落實(shí)各方意見(jiàn)、完善本標(biāo)準(zhǔn)后，在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布前后，適時(shí)發(fā)布且在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣的是美國(guó)軍方的SGP4/SDP4模型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SGP4SGP4模型以?xún)尚懈鶖?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(kāi)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(biāo)準(zhǔn)使用經(jīng)典的開(kāi)普勒根數(shù)作為輸入，并且定義在J2000.0（位置速度）這類(lèi)常用軌道狀態(tài)量與本標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(duì)“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(xiàng)。為了解決地球引力場(chǎng)與“慣性系”之間的差異，S本標(biāo)準(zhǔn)按照高度將軌道分為三類(lèi)，并單獨(dú)劃分一類(lèi)偏心率超過(guò)0類(lèi)型的軌道，非球形引力、日月引力攝動(dòng)都力攝動(dòng)和坐標(biāo)系附加攝動(dòng)。后者是本標(biāo)準(zhǔn)與SGP4的差異之一，直接在歷元標(biāo)系中建立解析公式并消除坐標(biāo)系差異帶來(lái)的主要影響。類(lèi)型一還考二也考慮10階次以?xún)?nèi)田諧項(xiàng)產(chǎn)生的周日、半日、1/3日及1/4日周期本標(biāo)準(zhǔn)的模型選取和軌道類(lèi)型劃分相比SGP4更加精細(xì)，SGP4誕生于上世紀(jì)七八十年代，簡(jiǎn)化的模型及緊湊的公式表達(dá)為計(jì)算效率。如今該模型在大批量目標(biāo)計(jì)算及星載計(jì)算本標(biāo)準(zhǔn)中的模型和公式相較SGP4具有更細(xì)致、復(fù)雜，因此相比S量。起草組在模型裁剪、公式表達(dá)的過(guò)