深空测控任务仿真系统研究

论文摘要

深空探测是指脱离地球引力场,进入太阳系和宇宙空间的航天活动。当今,深空探测已经成为航天领域中的一大研究热点,备受各航天大国的关注。与近地轨道航天技术相比,要完成深空探测航天任务更具挑战性。本文结合实际课题,对轨道动力学理论、深空轨道动力学仿真以及测控仿真进行了详细研究。最终设计开发了深空测控任务仿真系统。轨道动力学是完成航天任务必备的基础理论。要按计划将深空探测器送入预定轨道,完成探测任务,首先要建立准确的深空探测轨道动力学数学模型并对该模型进行仿真。同时需要与地面站进行测控系统的测轨、遥测、遥控和通信。因此,建立一个对轨道动力学准确仿真,并能进行地面测控分析的系统是很有必要的。本文首先研究了深空轨道动力学仿真模型的建立。介绍了时间系统与坐标系统,在分析了理想的二体运动模型的基础上研究了影响轨道变化的各种摄动因素,建立了火星探测任务轨道动力学模型,结合深空轨道特点,对轨道仿真算法进行了深入的研究。通过仿真算例验证轨道动力学仿真模型的有效性。在轨道动力学仿真输出轨道数据文件的基础上,结合地面站相关参数进行深空测控任务分析。将测控仿真结果与STK的计算结果进行对比分析,证明仿真模型可以满足深空探测任务的需求。最后从软件设计的角度详细阐述了深空测控任务仿真系统的设计思想与总体设计方案。在明确了设计原则后给出了模块化设计与数据结构详细设计,充分考虑了深空轨道动力学与测控仿真分析任务的特点,基于Visual C++6.0平台,采用组件化设计思想,开发了深空测控任务仿真系统。该系统用户界面友好、可以进行月球探测、火星探测、小行星探测、平衡点探测的轨道递推与预报,轨道动力学计算,测控任务仿真分析等功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 深空测控技术发展概况
• 1.3 航天仿真技术研究现状
• 1.3.1 航天仿真概述
• 1.3.2 国内外发展现状
• 1.4 主要研究内容与论文结构
• 第2章 深空轨道动力学仿真建模
• 2.1 深空轨道动力学仿真特点
• 2.2 深空任务轨道动力学数学建模方法
• 2.2.1 时间系统
• 2.2.2 坐标系统
• 2.2.3 二体轨道特性
• 2.2.4 轨道摄动影响因素
• 2.2.5 深空探测轨道动力学数学模型
• 2.3 深空轨道动力学仿真建模关键技术的实现
• 2.3.1 坐标系统矩阵转换实现
• 2.3.2 JPL星历文件的选择与应用
• 2.3.3 非球形摄动加速度解法
• 2.3.4 RKF数值积分算法
• 2.4 算例分析
• 2.4.1 火星探测实例
• 2.4.2 计算结果误差分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 深空测控任务仿真分析方法
• 3.1 深空测控目标
• 3.2 星下点轨迹分析
• 3.2.1 星下点轨迹数学建模
• 3.2.2 星下点轨迹仿真建模
• 3.2.3 与STK对比
• 3.3 地面站方位角预报计算
• 3.3.1 方位角计算数学建模
• 3.3.2 方位角计算仿真建模
• 3.3.3 与STK对比
• 3.4 地面站可见弧段计算分析
• 3.4.1 可见弧段数学建模
• 3.4.2 可见弧段仿真建模
• 3.4.3 与STK对比
• 3.5 本章小结
• 第4章 深空测控任务仿真系统设计与实现
• 4.1 设计思想
• 4.2 系统总体设计
• 4.2.1 系统软件结构
• 4.2.2 系统数据流程
• 4.2.3 开发平台简介
• 4.3 功能模块分析与实现
• 4.3.1 系统数据输入输出管理
• 4.3.2 深空探测任务轨道计算
• 4.3.3 地面站管理
• 4.3.4 测控仿真分析
• 4.3.5 测控仿真结果输出
• 4.4 数据结构设计
• 4.4.1 轨道动力学模块
• 4.4.2 地面站管理模块
• 4.4.3 测控分析模块
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录一
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢