Onboard-Propagator in den Satelliten SGP oder J2

Die erste Frage, die Sie sich stellen müssen, lautet: Muss das Raumschiff seine eigene Position kennen? Viele, wenn nicht die meisten Raumfahrzeuge benötigen diese Informationen nicht. Das Bodenteam muss einfach wissen, wann Manöver geplant werden müssen, was bedeutet, dass nur das Bodenteam die Position des Raumfahrzeugs kennen muss, nicht das Raumfahrzeug selbst.

Wenn das Raumfahrzeug seine eigene Position kennen muss , reicht ein Propagator an sich nicht für die Orbitalbestimmung (OD) an Bord aus. In Bezug auf die Orbitalbestimmung, wie sie in "Statistical Orbit Determination" von Schutz et al. 2004 umfasst die Lösung des Problems nicht nur die Position und Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs, sondern auch die Unsicherheit dieser Position und Geschwindigkeit. Ein Beispiel dafür, wie dies funktionieren könnte, finden Sie hier: Sie werden feststellen, dass die Diagramme den Fehler zwischen dem wahren Zustand des Raumfahrzeugs und dem geschätzten Zustand (grüne Punkte) zusammen mit der Unsicherheit (rote Linie) enthalten. Wenn Sie irgendeine Art von Propagator verwenden, sei es das SPG4, das ursprünglich 1988 veröffentlicht wurde, oder die neuesten und besten Modelle, wird die "Lösung" nur die Position und Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs sein. Gemäß der obigen Definition entspricht dies keiner vollständig definierten Lösung der Orbitalbestimmung. Stattdessen entspricht es einem "ausgebreiteten Raumfahrzeugzustand", der im Vergleich zur Wahrheit buchstäblich Hunderte von Kilometern entfernt sein kann. Beispielsweise beträgt der Unterschied zwischen einem Nicht-J2-Effekt und einem J2-Effekt 0,097 km an nur einem Tag. Ich ermutige Sie, ein paar verschiedene Simulationen im GMAT der NASA auszuführen, um die Endzustände von Raumfahrzeugen mit unterschiedlichen Genauigkeiten der Harmonischen und des Luftwiderstands zu vergleichen.

Genauer gesagt kann ein SPG4-Propagator dem Raumfahrzeug eine sehr grobe Schätzung dessen geben, wo es sich befindet, aber die Dynamik des realen Raumfahrzeugs ist viel zu kompliziert, um von einem Propagator selbst ohne Messungen und ohne Ausführen eines OD-Filters bestimmt zu werden.

Es würde einige Messungen der Welt um es herum (durch GPS-Messwerte oder Bodenverfolgungsdurchgänge) benötigen, um seinen Zustand und die Unsicherheit in seinem Zustand genau zu bestimmen. Wenn darüber hinaus ein GPS-Modul als leistungshungrig angesehen wird, dann würde die für ein SGP4 benötigte Berechnung wahrscheinlich auch als zu leistungshungrig angesehen werden.

LEO-Vögel können mit einem GPS-Modul ausgestattet sein, das die Geschwindigkeiten von Raumfahrzeugen verarbeiten kann (sie sind normalerweise ITAR-beschränkt, aber nichts hindert Sie daran, Ihren eigenen Chip zu entwerfen). Bei Ausstattung mit einem GPS-Modul sind zwei Strategien für OD möglich.

Erstens könnte das Raumfahrzeug jede der Messungen an Bord speichern und sie auf Anfrage zum Boden übertragen. Das Bodenteam würde dann unabhängig eine OD-Lösung bestimmen, um die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs genau zu bestimmen. Das Team lädt dann eine Manöverdatei hoch, die auf der Bodenausbreitung der Flugbahn des Raumfahrzeugs basiert.

Zweitens muss ein Raumfahrzeug, wenn es seine eigene Position ohne Bodenunterstützung kennen muss, einen Kalman-Filter an Bord betreiben. Der Kalman-Filter ermöglicht es dem Raumfahrzeug, GPS-Messungen mit dem erwarteten Modell seiner Dynamik (dh Erdgravitationsfeld, Luftwiderstandsmodell, Position der Planeten usw.) zu infundieren und eine Schätzung seiner Position und Geschwindigkeit (und optional anderer Parameter) zu berechnen ), zusammen mit einer Ungewissheit seines Zustands.

Bei der Navigation von Raumfahrzeugen im Betrieb wird ein OD-Analyst viele verschiedene Filter mit geringfügigen Abweichungen im dynamischen Modell ausführen. Im Fall der GRAIL-Mission um den Mond simulierten Analysten beispielsweise kleine Manöver in ihrem „Wahrheitsmodell“, um Fehler im Gravitationsfeld zu berücksichtigen, die von Wissenschaftlern und Ingenieuren während der Mission nicht vollständig verstanden wurden.

Viele Satelliten haben keine Positions- oder Geschwindigkeitsmessungen. Time-Tag-Tabellen, einschließlich Satellitenzustand, Magnet- und Sonnenvektor, werden vom Boden hochgeladen und der Satellit verwendet sie für Manöver zur Lagekontrolle und Bahnkontrolle.

Der LEO-Satellit kann GPS- und OD-Funktionen verwenden, um den Satellitenstatus zu erhalten, ohne von Bodenaktualisierungen abhängig zu sein. Diese Fähigkeit ermöglicht es dem Satelliten, eine Umlaufbahn und Lageregelung mit geschlossenem Regelkreis zu verwenden, da er jetzt über ein Echtzeit-Feedback verfügt.

SGP4 kann als Onboard-Propagator verwendet werden, entweder als Backup, wenn das GPS ausfällt, oder als Hauptorbit-Propagator, wenn die genaue Position des Satelliten nicht bekannt sein muss. Eine Positionsgenauigkeit von wenigen Kilometern ist für viele Anwendungsfälle, einschließlich Formationsfluganwendungen, mehr als ausreichend. Der GPS-Empfänger verbraucht viel Strom, der möglicherweise nicht immer verfügbar ist (z. B. in 1U CubeSats). SGP4 erfordert sehr begrenzte Rechenleistung und die einzige erforderliche Eingabe ist TLE und Zeit.

Numerische Ausbreitung basierend auf TLE wird schnell Fehler in Bezug auf die reale Satellitenposition akkumulieren. Der Fehler verringert sich jedes Mal, wenn neue TLE-Messungen auf den Satelliten hochgeladen werden. NORAD aktualisiert den TLE-Katalog fast täglich, sodass täglich neue TLE an den Satelliten gesendet werden können, wodurch die akkumulierten Fehler verringert werden.

Beim Engineering geht es um Kompromisse. Wenn die erwartete Genauigkeit von SGP4 für die Mission gut genug ist, verwenden Sie es und sparen Sie das Geld für einen weltraumtauglichen GPS-Empfänger.