平均大气密度模型在低轨地球卫星轨道误差分析及模型修正中的应用

The errors in atmospheric drag are major error sources for orbits of low Earth satellites (LEO). Current atmosphere models are only approximate of real atmosphere conditions due to various uncertainties in atmosphere model especially atmospheric density. Although accelerometers can be applied to directly measure non-conservative forces in orbit determination, they cannot be used to predict orbit. The 'point density' models, which are often used in many operational departments, are still limited in accuracy and must be properly corrected to provide reasonable accuracy in applications. This project will use 'mean' atmosphere model to compute the orbits from actual observation data of our LEO satellite. The 'mean' model is able to represent the principal features of atmosphere and can be effectively corrected in the process of precise orbit determination (POD). Besides POD, the correction to the mean atmosphere model can also applied in long term orbit prediction as well as many other aspects. This project is intended to serve our on-going manned space project and to increase the accuracy for POD and long term orbit prediction.

对低轨地球卫星，大气阻力摄动是轨道计算中重要的误差源。由于大气模型，特别是大气密度的不确定性，现有的大气模型只是实际大气状况在一定程度上的近似。虽然目前可以通过加速度计直接测量非保守力，但这一方法无法用于轨道预报中大气阻力摄动的计算；而各种"点密度"大气模型是目前应用单位使用较多的方法，但其标称精度有限，在使用时依然必须进行适当地修正才能保证足够精度。本项目拟使用我国低轨卫星的实测资料，通过平均大气模型来计算航天器的轨道，这一做法既可以反映出大气的主要变化，又可以在精密定轨的过程中有效地对大气模型进行修正。除了精密定轨，平均大气模型的修正还将应用于低轨航天器轨道的长期预报以及其他方面。这一项目针对我国目前正在进行的载人航天工程，最终目的是为了提高低轨航天器精密轨道确定以及长期轨道预报的精度，为空间活动中的交会对接任务提供保障。

大气密度的不确定性（误差）是低轨卫星轨道计算中重要的误差源。几十年来虽然各种观测资料不断累积，但大气密度的内符合误差始终在15%-30%，很长时间内精度没有本质的提高。.由于目前的各种复杂大气密度模型（下称“点密度”模型）都存在各种误差，且在定轨过程中都不可能不进行相应的参数修正，因此本课题提出利用相对简单的平均大气密度模型（下称“平均密度”模型）对大气阻力摄动进行先验计算。借助长弧段历史数据的累积，通过修正、拟合、预报的方法对未来一段时间内的平均密度进行改进并用于轨道预报。.在课题开展过程中，课题组通过和北京航天飞行控制中心的合作，利用天宫一号及神舟七号至十号累计近2年的实测数据进行了计算。利用均匀选取的天宫一号算例，结果表明20天的轨道预报中，绝大多数预报轨道的最大位置误差不超过400km，平均轨道半长径误差不超过700m。本课题还讨论了这一方案在不同策略下的稳定性，以及拟合、预报不同时期太阳及地磁活动对轨道预报精度的影响。.课题组在课题开展过程中一方面利用北京中心的实测数据开展研究，对现有算法进行了验证，充实了算例。部分理论结果也已经发表；另一方面和北京中心积极合作，讨论将这一方案用于实际测控计算中，获得了中心的好评。这一方案为长期在轨的低轨卫星在进行轨道预报时如何修正大气密度误差提供了参考，将为空间站在长期管理中的空间预警、轨道维持等提供帮助。.课题组在这三年中按计划完成了研究工作，取得了可靠、实用的结果。未来，课题组还将利用其它型号的低轨航天器开展进一步的计算和研究。