[科普中國]-衛(wèi)星星下點(diǎn)

衛(wèi)星星下點(diǎn)指的是衛(wèi)星向徑與地球表面交點(diǎn)的地心經(jīng)、緯度。在軌運(yùn)行的LEO（ lowearthorbit） 衛(wèi)星絕大多數(shù)是太陽同步回歸軌道， 為了保持其軌道特性并滿足星上載荷工作條件， 必須進(jìn)行星下點(diǎn)軌跡保持。

概念衛(wèi)星星下點(diǎn)是指衛(wèi)星向徑與地球表面交點(diǎn)的地心經(jīng)、緯度。星下點(diǎn)是衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)在地球表面的投影，其軌跡是將一段時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星在地面投影的連線。

LEO衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡保持策略優(yōu)化研究研究背景衛(wèi)星在長期的軌道運(yùn)行期間，由于受到大氣阻力、地球非球形引力以及日月引力攝動(dòng)的影響，導(dǎo)致其偏離標(biāo)稱軌道，因此要根據(jù)用戶的要求，維持實(shí)際運(yùn)行軌道的性能指標(biāo)，也就是說當(dāng)衛(wèi)星行下點(diǎn)軌跡保持在標(biāo)稱軌跡附近的一定范圍內(nèi)則符合要求，超出范圍就必須進(jìn)行軌道維持。而在軌的LEO衛(wèi)星中相當(dāng)一部分軌道高度低于500km，太陽活動(dòng)中年軌跡維持周期在20d左右。頻繁的軌道維持對衛(wèi)星的正常任務(wù)執(zhí)行造成了較大的影響，而在軌運(yùn)行衛(wèi)星的軌跡保持只是考慮的半長軸衰減的影響，忽略了傾角變化的因素，雖然短期內(nèi)使用相對保守的控制策略也可滿足任務(wù)要求。文獻(xiàn)1給出了太陽同步軌道控制的通用方法，綜述了軌控模式和維持策略，對實(shí)際應(yīng)用意義較小。而文獻(xiàn)只是簡單地考慮了傾角偏置策略對軌跡漂移的影響，未全面考慮半長軸變化和傾角變化帶來的影響。因此，為了尋求最優(yōu)的軌跡保持策略，延長軌跡保持周期，對LEO衛(wèi)星所受攝動(dòng)力進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在傾角偏置改善降交點(diǎn)地方時(shí)的同時(shí)，對其影響星下點(diǎn)軌跡漂移以及半長軸衰減和傾角長期變化引起的星下點(diǎn)軌跡漂移進(jìn)行了深入的研究，給出了增大半長軸偏置量的星下點(diǎn)軌跡保持方法和計(jì)算模型。

LEO衛(wèi)星的軌跡保持方法對于LEO衛(wèi)星，在短期內(nèi)引起軌跡漂移的主要因素是大氣阻力，其他攝動(dòng)因素忽略不計(jì)，因此在軌跡調(diào)整過程中只考慮這一項(xiàng)。在只考慮大氣作用的情況下，長半軸的衰減規(guī)律如下：

式中：Cd為阻力系數(shù)，a為衛(wèi)星長半軸，A為最大迎風(fēng)面積，m為衛(wèi)星質(zhì)量，n為衛(wèi)星平均運(yùn)動(dòng)角速度，ρ為大氣密度。

研究結(jié)論分析了傾角偏置對衛(wèi)星降交點(diǎn)地方時(shí)和星下點(diǎn)軌跡漂移的影響，進(jìn)一步研究了太陽引力引起的傾角變化和大氣阻力引起的半長軸衰減造成星下點(diǎn)軌跡漂移變化的規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然低軌衛(wèi)星 的攝動(dòng)量級(jí)是 的103倍，但 和 卻是同一量級(jí)，也就是說它們對星下點(diǎn)軌跡漂移影響接近。因此，可以通過增大半長軸的偏置量來抵消傾角變化對星下點(diǎn)軌跡漂移的影響，從而延長了軌跡保持周期，減小了軌道維持頻度，在工程應(yīng)用中有重要的意義。2

基于OpenGL的衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡可視化仿真OpenGL是開放性圖形庫(全稱是Open Graphic Library)的簡稱，它是一個(gè)三維的計(jì)算機(jī)圖形和模型庫，是由SGI公司為其圖形工作站開發(fā)的IRISGL演變而來的。OpenGL最顯著的特點(diǎn)是與硬件系統(tǒng)的無關(guān)性，可方便地將應(yīng)用程序移植到另一個(gè)操作系統(tǒng)中，它能直接面向硬件調(diào)用3D處理功能，故處理3D圖形速度特別快。

對于開發(fā)者而言，OpenGL是包含幾十個(gè)指令或函數(shù)的集合，包括物體旋轉(zhuǎn)、平移縮放、材質(zhì)、光照、紋理、像素、位圖、文本以及提高圖形表現(xiàn)性能等。利用這些函數(shù)對三維的幾何對象進(jìn)行描述，并利用坐標(biāo)變換、對象著色、光照、消隱及映像到二維屏幕處理，最終實(shí)現(xiàn)三維圖形的顯示，它基本上涵蓋了開發(fā)可視化圖形程序的方方面面。

OpenGL圖形的實(shí)現(xiàn)（1）OpenGL體系結(jié)構(gòu)

OpenGL是一個(gè)與平臺(tái)無關(guān)的三維圖形接口，操作系統(tǒng)必須提供像素格式管理和渲染環(huán)境管理。OpenGL在Windows上的實(shí)現(xiàn)是基于Client/Server模式的，應(yīng)用程序發(fā)出OpenGL命令，由動(dòng)態(tài)鏈接庫OpenGL32.DLL接收和打包后，發(fā)送到服務(wù)器端的WINSRV.DLL，然后由它通過DDI層發(fā)往視頻顯示驅(qū)動(dòng)程序。如果系統(tǒng)安裝了硬件加速器，則由硬件相關(guān)的DDI來處理。OpenGL/NT的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）OpenGL渲染描述表(RC)與Windows設(shè)備描述表

OpenGL的繪圖方式與Windows一般的繪圖方式是不同的，OpenGL使用的是渲染描述表RC(Render Context)繪圖，并且采用特殊的像素格式，而Windows采用的是GDI繪圖，使用時(shí)必須指定所用的設(shè)備描述表DC(DeviceContext)。使用OpenGL也必須指定一個(gè)渲染描述表RC，以存儲(chǔ)OpenGL所需的渲染信息如像素格式等，創(chuàng)建RC時(shí)與一個(gè)DC建立聯(lián)系(RC也只能通過已經(jīng)建立了位圖格式的DC來創(chuàng)建)，OpenGL的函數(shù)就可以通過RC對應(yīng)的DC畫到相應(yīng)的顯示設(shè)備上。在使用OpenGL命令向窗口中繪圖之前，必須先建立一個(gè)RC，并使之成為當(dāng)前RC。

衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)分析該文的衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)，采用衛(wèi)星軌道兩行根數(shù)TLE文件，使用NORADSGP4/SDP4軌道模型，可以獲得精確的軌道預(yù)測。TLE考慮了地球扁率、日月引力的長期和周期攝動(dòng)影響，以及大氣阻力模型產(chǎn)生的引力共振和軌道衰退。TLE是“平均”根數(shù)，它用特定的方法去掉了周期擾動(dòng)項(xiàng)；預(yù)測模型必須用同樣的方法重構(gòu)周期擾動(dòng)項(xiàng)。因此，TLE并不適用于所有的解析解模型，為了獲得高的預(yù)測精度，應(yīng)該采用1980年12月NORAD公布的數(shù)學(xué)模型，該文的模型選用NORAD的SGP4和SDP4模型。SGP4模型用于近地目標(biāo)，是Lane和Cranford1969年解析理論的簡化。地球引力場模型采用Von-Zeipel正則變換方法給出的攝動(dòng)解結(jié)果；大氣模型采用密度加權(quán)函數(shù)。SGP8是SGP4的外延，用于深空目標(biāo)。深空方程由Hujsak于1979年開發(fā)，模型考慮了地球扁率和日月引力。該文中，利用SGP4/SDP4模型計(jì)算衛(wèi)星星歷，再根據(jù)衛(wèi)星的星歷計(jì)算星下點(diǎn)軌跡的經(jīng)緯度。星下點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)包括：衛(wèi)星從軌道根數(shù)基準(zhǔn)時(shí)間開始所經(jīng)歷的時(shí)間，星下點(diǎn)的瞬時(shí)經(jīng)緯度。這些數(shù)據(jù)雖然比較精確，但是不夠直觀和形象，我們采用等距墨卡托投影方法，將星下點(diǎn)投影到地球平面圖上進(jìn)行繪制和顯示，使其具有形象，直觀的特點(diǎn)。星下點(diǎn)數(shù)據(jù)的具體計(jì)算，在這里不作詳細(xì)介紹。典型的數(shù)據(jù)如表1所示。

研究結(jié)論通過對傳統(tǒng)CPN的模型和競爭層算法的改進(jìn)，使網(wǎng)絡(luò)能更好地逼近函數(shù)，提高了CPN的精度，使它能更好地得到利用。但要注意由于CPN采用軟競爭機(jī)制進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)競爭層上沒有分配足夠多的神經(jīng)元時(shí)，將使競爭層變得不穩(wěn)定，造成CPN網(wǎng)絡(luò)的功能退化，難以解決一些復(fù)雜的問題。同時(shí)在競爭層神經(jīng)元數(shù)目增加的情況下，訓(xùn)練次數(shù)應(yīng)相應(yīng)增加，否則，網(wǎng)絡(luò)分布不均勻，輸出不連續(xù)。此外訓(xùn)練樣本的選取次序?qū)W(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練影響很大，應(yīng)隨機(jī)在樣本空間中選取，不應(yīng)有一定次序，否則對網(wǎng)絡(luò)有誤導(dǎo)。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)