高興龍,李志輝,陳 欽,丁 娣,彭傲平
(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng)621000;2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所,綿陽(yáng)621000;3. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所,綿陽(yáng)621000;4. 北京前沿創(chuàng)新中心國(guó)家計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室,北京100191;5. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心計(jì)算空氣動(dòng)力研究所,綿陽(yáng)621000)
大型航天器壽命末期離軌再入大氣層時(shí)一旦功能失效,只能由受控再入轉(zhuǎn)為依靠無(wú)控飛行軌道衰降再入,無(wú)控再入的大型航天器通常由于自身系統(tǒng)如對(duì)地通信等故障造成失控,最終自然隕落再入大氣層解體,殘骸碎片墜落地球。 歷史上大型航天器失效后再入大氣層的案例較多,如美國(guó)的Skylab 空間站[1]。 大型航天器壽命終止后離軌自然隕落,將在低地球軌道環(huán)境氣動(dòng)力/矩和地球引力[2]等攝動(dòng)因素影響下,軌道高度逐漸衰降至最終再入大氣層[3]。 當(dāng)缺少導(dǎo)航信息或信息服務(wù)數(shù)據(jù)中斷時(shí),需要獨(dú)立依靠軌道動(dòng)力學(xué)模型對(duì)航天器的軌道飛行航跡進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào),盡可能地實(shí)現(xiàn)航天器空間位置速度狀態(tài)的可行性預(yù)測(cè)。 預(yù)報(bào)初值軌道參數(shù)精度和動(dòng)力學(xué)模型精度直接影響航天器星歷預(yù)報(bào)精度。 數(shù)值積分法利用確定的初值逐步遞推航天器的位置速度或瞬時(shí)軌道根數(shù),可以充分考慮各種攝動(dòng)因素的影響,對(duì)于短期的高精度軌道預(yù)報(bào)較適用。
李志輝等[4-5]的研究表明,空氣動(dòng)力對(duì)低軌航天器的軌道預(yù)報(bào)影響顯著,低地球軌道環(huán)境大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)航天器的氣動(dòng)力隨高程顯著改變,如300~200 km 變化幅度達(dá)8%~50%。 即使考慮5%的阻力偏差,低軌空間目標(biāo)的24 h 位置計(jì)算精度最大預(yù)測(cè)偏差可達(dá)64 km[6]。 而且李志輝等[4,7]的初步研究表明,對(duì)低地球軌道環(huán)境無(wú)控航天器的軌道衰降模擬,必須充分考慮目標(biāo)飛行器軌道衰減過(guò)程所受到的跨流域空氣動(dòng)力特性隨飛行姿態(tài)變化影響。 同時(shí)大部分非受控再入航天器都處于姿態(tài)失穩(wěn)飛行狀態(tài),研究壽命末期大型航天器在低軌甚至超低軌道情況下的軌道動(dòng)力學(xué)特性,需要同時(shí)考慮飛行器姿態(tài)的影響[8]。 Hart等[9]利用解析的自由分子流氣動(dòng)模型開(kāi)展了低軌空間目標(biāo)的快速軌道外推和不確定參數(shù)敏感性分析,并對(duì)目標(biāo)在軌壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。 Sommer等[10]對(duì)中國(guó)天宮一號(hào)再入過(guò)程的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和截面積進(jìn)行了分析。 Nazarenko[11]利用雙行根數(shù)(Two-Line Element,TLE)軌道數(shù)據(jù)考慮隨機(jī)大氣環(huán)境擾動(dòng)對(duì)天宮一號(hào)的再入時(shí)刻進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究。
軌道預(yù)報(bào)精度的誤差因素主要來(lái)自定軌初值誤差和動(dòng)力學(xué)模型誤差,通常需要依靠濾波參數(shù)辨識(shí)方法盡可能消除誤差因素的影響,提高預(yù)報(bào)精度。 鄭作亞等[12]將無(wú)跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法應(yīng)用在GPS 衛(wèi)星軌道的短期預(yù)報(bào)中,有效提高了軌道預(yù)報(bào)精度和穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)的基于常值阻力系數(shù)及數(shù)據(jù)擬合的氣動(dòng)參數(shù)的預(yù)報(bào)方法在軌道預(yù)報(bào)問(wèn)題上沒(méi)有充分考慮姿態(tài)變化引起的空氣動(dòng)力的影響,因此需要結(jié)合姿態(tài)和跨流域氣動(dòng)環(huán)境將更高精度的氣動(dòng)特性建模方法融合進(jìn)軌道動(dòng)力學(xué)模型中。 為此,本文基于稀薄跨流域空氣動(dòng)力數(shù)值模擬驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的大型航天器氣動(dòng)特性當(dāng)?shù)鼗焖偎惴?,求解目?biāo)航天器不同高度和飛行姿態(tài)對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力、力矩系數(shù),建立氣動(dòng)融合姿態(tài)動(dòng)力學(xué)軌道攝動(dòng)模型,結(jié)合UKF 算法消除外測(cè)軌道星歷數(shù)據(jù)和數(shù)值積分誤差影響,對(duì)大型航天器進(jìn)行短期的軌道外推計(jì)算預(yù)報(bào)。
無(wú)控航天器的軌道預(yù)報(bào)需要考慮姿態(tài)變化所引起的氣動(dòng)力以及氣動(dòng)力矩系數(shù)的變化,從而充分考慮姿態(tài)變化和氣動(dòng)力因素對(duì)軌道攝動(dòng)的影響。 如圖1 所示,建立軌道坐標(biāo)系Obxryrzr,本體坐標(biāo)系Obxbybzb, 速度坐標(biāo)系Obxvyvzv和地心慣性坐標(biāo)系Oxyz, 描述航天器位置速度和姿態(tài)的變化。
圖1 參考坐標(biāo)系示意圖Fig.1 Sketch of reference frames
目標(biāo)航天器的軌道攝動(dòng)方程由J2000 地心慣性坐標(biāo)系下的位置和速度矢量描述,姿態(tài)描述為了避免奇異問(wèn)題,采用四元數(shù)的方式,應(yīng)用姿態(tài)四元數(shù)與方向余弦的關(guān)系,可得到姿態(tài)四元數(shù)的運(yùn)動(dòng)方程[13],則目標(biāo)航天器六自由度動(dòng)力學(xué)方程具體形式為式(1)。
式 中, r = x,y,z[ ]T為 位 置 矢 量, v =[ vx,vy,vz]T為速度矢量,q = [q1,q2,q3,q4]T為軌道系到星體系的四元數(shù),ω 為航天器的姿態(tài)角速度;μ 為地球引力常數(shù), I 為航天器的慣量矩陣。攝動(dòng)加速度項(xiàng)分別是: aN為N 體引力攝動(dòng)加速度,本文考慮日、月的引力攝動(dòng)加速度; aNSE為地球非球形攝動(dòng)加度,是低軌航天器的主要攝動(dòng)因素,本文計(jì)算采用精度較高的JGM-3 地球引力位模型;aNSL為月球非球形攝動(dòng)加速度; aR為太陽(yáng)光壓攝動(dòng)加速度;aD為J2000 地心慣性坐標(biāo)系下的大氣阻力攝動(dòng)加速度,可由體坐標(biāo)系下的加速度aB經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到,如式(2)所示。
式中,Bq為四元數(shù)的方向余弦矩陣, BOJ為軌道坐標(biāo)系到地心慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,aB可以根據(jù)氣動(dòng)力系數(shù)寫(xiě)成體坐標(biāo)系下的三分量形式,如式(3)所示。
式中:CA、CN和CZ分別為目標(biāo)航天器的軸向力系數(shù)、法向力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù),Sref為目標(biāo)航天器阻力無(wú)量綱系數(shù)參考面積,ρ 為大氣密度,本文采用NRLMSISE00 大氣密度模型計(jì)算,Vr為航天器相對(duì)于大氣的運(yùn)動(dòng)速度,可以寫(xiě)成式(4)。
式中,ωE為地球自轉(zhuǎn)角速度。
式(1)中右端的擾動(dòng)力矩分別是:LG為重力梯度力矩,LR為太陽(yáng)光壓力矩,LM為地磁力矩;LD為氣動(dòng)擾動(dòng)力矩,若記滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為Cl,俯仰力矩系數(shù)為Cm,偏航力矩系數(shù)為Cn,參考面積為Sref,參考長(zhǎng)度為L(zhǎng)ref, 同樣可根據(jù)氣動(dòng)力矩系數(shù)將LD寫(xiě)成體坐標(biāo)系下的三分量形式,如式(5)所示。
大型航天器的氣動(dòng)力系數(shù)隨軌道高度和姿態(tài)的變化顯著,在軌道預(yù)報(bào)過(guò)程中,需要根據(jù)航天器再入過(guò)程的快速響應(yīng),考慮氣動(dòng)特性計(jì)算的高效性。 如天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器,低軌道飛行過(guò)程是一個(gè)自數(shù)百到數(shù)十量級(jí)Knudsen 數(shù)高稀薄自由分子流動(dòng)狀態(tài)多物理場(chǎng)復(fù)雜構(gòu)型極高超聲速流動(dòng)問(wèn)題[14-16]。 為了捕捉空氣動(dòng)力特性對(duì)軌道衰降過(guò)程影響,本文使用文獻(xiàn)[5]與文獻(xiàn)[17]發(fā)展的當(dāng)?shù)鼗焖偎惴ǎ?分別在高度區(qū)域[250 km,200 km]、[200 km,120 km]、[120 km,100 km]每間隔5~3 km、2.5 km、2 km 各典型繞流狀態(tài),使用跨流域空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值方法計(jì)算,結(jié)果作為各子區(qū)域邊界值[4-5,18]。 而對(duì)于連接各子區(qū)域邊界的中間過(guò)渡區(qū),采用修正的Boettcher/Legge 非對(duì)稱橋函數(shù)理論[17],發(fā)展可分段描述的非對(duì)稱壓力與摩擦力系數(shù)關(guān)聯(lián)橋函數(shù),在給定的物面角θb,當(dāng)?shù)孛嬖系膲毫湍Σ亮ο禂?shù)分別為式(6)、(7)。
式中,F(xiàn)b,p和Fb,τ分別是壓力和摩擦力橋函數(shù),依賴于獨(dú)立參數(shù)Kn、Tw/T∞和θb。
對(duì)于類天宮一號(hào)目標(biāo)航天器可用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格表征其飛行器物形,采用通用近似的面元法對(duì)航天器進(jìn)行物形處理,當(dāng)面元?jiǎng)澐肿銐蚣?xì)小時(shí),引起的誤差就更小[19],由此形成低軌道跨流域氣動(dòng)力特性一體化快速計(jì)算技術(shù)。 在高稀薄自由分子流區(qū),可采用基于不同模型材料修正的Nocilla 壁面反射模型進(jìn)行壓力系數(shù)和摩擦力系數(shù)計(jì)算,在Maxwell 平衡態(tài)氣體分子速度分布的假設(shè)下,每個(gè)面元的壓力和摩擦力系數(shù)為式(8)、(9)。
式中,Tw、T∞分別為物面和來(lái)流溫度,σN和σT分別為法向和切向物面動(dòng)量適應(yīng)系數(shù), erf()為誤差函數(shù),s 為速度比,定義為式(10)。
式中,R 為通用氣體常數(shù)。
由此,充分利用高性能計(jì)算機(jī)開(kāi)展DSMC 和求解Boltzmann 模型方程統(tǒng)一算法對(duì)相關(guān)關(guān)聯(lián)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試確定和計(jì)算修正,最終獲取適用類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器覆蓋跨流域不同飛行高度和典型姿態(tài)的氣動(dòng)力和力矩。 圖2 所示為計(jì)算得到的在350~100 km 高度下,航天器氣動(dòng)阻力系數(shù)隨高度變化曲線。 從圖中的阻力系數(shù)變化趨勢(shì)可以看出,350~180 km 軌道高度范圍的阻力系數(shù)緩慢減小,之后隨著軌道高度的降低,阻力系數(shù)劇烈下降,這種異?,F(xiàn)象主要是由于跨過(guò)該高度,氣流密度、動(dòng)壓迅速呈量級(jí)增加,致大氣阻力系數(shù)迅速減小,雖然大氣阻力有量綱量隨飛行高度降低呈現(xiàn)非線性增大。 圖3 為目標(biāo)飛行器軸向力、法向力和俯仰力矩系數(shù)隨迎角變化曲線。
圖2 類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器軌降過(guò)程氣動(dòng)阻力變化Fig.2 Changes of aerodynamic drag characteristics of Tiangong-1-type spacecraft with altitude during the orbital decline process
圖3 類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器軌降過(guò)程軸向力、法向力和俯仰力矩系數(shù)隨迎角變化曲線Fig.3 Changes of axial, normal force and pitch moment coefficients of Tiangong-1-type spacecraft with angle of attack during the orbital decline process
利用初始外測(cè)目標(biāo)飛行器軌道信息,直接積分軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)狀態(tài)信息可以確定對(duì)應(yīng)高度和姿態(tài)的氣動(dòng)系數(shù)。 依次順序迭代計(jì)算。 同時(shí)結(jié)合UKF 思想,開(kāi)展數(shù)據(jù)濾波,得到對(duì)航天器位置速度和姿態(tài)的跟蹤結(jié)果。 首先將位置、速度矢量的軌道參數(shù)和四元數(shù)、角速度矢量的姿態(tài)參數(shù)定義狀態(tài)量x 為式(11)。
同時(shí)將該問(wèn)題以狀態(tài)方程、輸出方程和測(cè)量方程的形式表示如(12)所示[20]。
式中, x 為狀態(tài)向量,對(duì)應(yīng)目標(biāo)航天器的位置、速度、姿態(tài)角和角速度,y 為觀測(cè)向量,u 為系統(tǒng)的輸入,對(duì)于無(wú)控的目標(biāo)航天器u =O;z 為外測(cè)得到的離散時(shí)間序列,包含測(cè)量誤差。 F 和G為過(guò)程和測(cè)量噪聲附加矩陣。 通過(guò)測(cè)量結(jié)果z 來(lái)對(duì)x 進(jìn)行跟蹤和估計(jì),采用UKF 算法對(duì)上述方程進(jìn)行處理。 在UKF 算法中,對(duì)于非線性系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題,其狀態(tài)隨機(jī)變量需要定義成原狀態(tài)量和過(guò)程、測(cè)量噪聲隨機(jī)變量的組合,即式(13)。
這樣系統(tǒng)擴(kuò)展成L 維空間,相應(yīng)的狀態(tài)協(xié)方差矩陣可寫(xiě)成[21]式(14)。
式中, Px為狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣, Rw和Rv為過(guò)程和測(cè)量噪聲協(xié)方差矩陣。 與EKF 算法相比,UKF 具有二階精度,且不需要計(jì)算Jacobian 和Hessian 矩陣,使得算法更易實(shí)現(xiàn),并可用于不可微函數(shù)估計(jì)。
無(wú)跡變換(Unscented Transformation,UT)是無(wú)跡卡爾曼濾波的核心[21],它通過(guò)構(gòu)造有限樣本點(diǎn)(sigma points)來(lái)近似隨機(jī)變量在非線性變換下的統(tǒng)計(jì)特性。 比例無(wú)跡變換(Scaled Unscented Transformation,SUT)是在UT 的基礎(chǔ)上加入比例系數(shù),用于在協(xié)方差矩陣保持正定的狀態(tài)下對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 基于SUT 變換的標(biāo)準(zhǔn)UKF 算法可分為預(yù)測(cè)和矯正兩步進(jìn)行,算法流程如下:
1)初始化。 由先驗(yàn)信息給出狀態(tài)量估計(jì)和協(xié)方差,假設(shè)噪聲信號(hào)為零均值白噪聲。
2)構(gòu)造采樣點(diǎn)。 由SUT 變換構(gòu)造2L+1 個(gè)采樣點(diǎn),即式(15)。
引入系數(shù)γ,其表達(dá)式為式(16)。
3)預(yù)測(cè)。 由k 狀態(tài)預(yù)估第k+1 步的狀態(tài)量及均方差如式(17)所示。
4)校正。 由觀測(cè)量對(duì)預(yù)測(cè)量進(jìn)行校正,首先計(jì)算增益矩陣K,由狀態(tài)量估計(jì)值可給出輸出量估計(jì)及協(xié)方差矩陣,然后由協(xié)方差矩陣計(jì)算增益矩陣,再由增益矩陣對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量和協(xié)方差矩陣進(jìn)行校正。 若噪聲為累積白噪聲,則可去掉過(guò)程和測(cè)量噪聲。
與EKF 算法相比,UKF 具有二階精度,且不需要計(jì)算Jacobian 和Hessian 矩陣,使得算法更易實(shí)現(xiàn),并可用于不可微函數(shù)估計(jì)。
該方法可以克服直接積分六自由度動(dòng)力學(xué)模型長(zhǎng)時(shí)間所帶來(lái)的誤差積累、長(zhǎng)時(shí)間預(yù)報(bào)精度降低的問(wèn)題,同時(shí)可以顯著提高計(jì)算效率,便于對(duì)軌道和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型分別進(jìn)行誤差分析。
利用前文所建立的數(shù)學(xué)模型和濾波方法對(duì)類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器的無(wú)控飛行軌道變化進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證,圖4~圖7 為預(yù)測(cè)的該目標(biāo)飛行器軌道根數(shù)和姿態(tài)變化。 計(jì)算時(shí)間取4.5 天,觀察其變化趨勢(shì)。 圖4 為類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器軌道高度衰降變化曲線的仿真結(jié)果與TLE 觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果,從初步的計(jì)算結(jié)果可以看出,軌道預(yù)測(cè)的仿真結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果相符。 圖5 為軌道根數(shù)變化曲線,可以進(jìn)一步看出目標(biāo)飛行器臨近再入前幾天的軌道變化趨勢(shì)。
圖4 類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器軌道高度變化Fig.4 Altitude variation of Tiangong-1-type space-
圖5 類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器軌道根數(shù)變化Fig.5 Orbital elements variation of Tiangong-1-type spacecraft
從圖6 和圖7 的結(jié)果可以看出,目標(biāo)飛行器姿態(tài)角和角速度的參數(shù)變化具有一定的隨機(jī)性,當(dāng)前的測(cè)量手段還無(wú)法對(duì)無(wú)控大型航天器的姿態(tài)變化參數(shù)給出較精確的估計(jì)結(jié)果。 本文通過(guò)算例初步驗(yàn)證了考慮姿態(tài)變化關(guān)聯(lián)氣動(dòng)參數(shù)方法的可行性,未來(lái)還需要結(jié)合隨機(jī)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)一步分析大型無(wú)控航天器姿態(tài)變化對(duì)軌道預(yù)報(bào)精度的影響,完善氣動(dòng)融合軌道數(shù)值預(yù)報(bào)方法的技術(shù)手段。 總之,本文計(jì)算得到的軌道和姿態(tài)變化的預(yù)測(cè)結(jié)果均與測(cè)站偶爾觀測(cè)理論預(yù)期吻合相容,尤其是姿態(tài)動(dòng)力學(xué)積分計(jì)算收斂、結(jié)果合理。
圖6 類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器姿態(tài)角速度變化Fig.6 Attitude angle velocity variation of Tiangong-1-type spacecraft
圖7 類天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器姿態(tài)角變化Fig.7 Attitude angle variation of Tiangong-1-type spacecraft
將經(jīng)氣動(dòng)融合參數(shù)辨識(shí)攝動(dòng)模型計(jì)算得到的軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與目標(biāo)航天器實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)所獲取的軌道星歷信息進(jìn)行對(duì)比,分析不同時(shí)刻的計(jì)算誤差,得到地心慣性坐標(biāo)系下的位置矢量偏差和平均軌道高度偏差隨時(shí)間推進(jìn)的變化趨勢(shì),如表1 所示。
表1 無(wú)控航天器軌道預(yù)報(bào)精度Table 1 Orbit prediction accuracy of uncontrolled spacecraft
氣動(dòng)力作為非保守力是引起目標(biāo)航天器軌道形狀和大小改變的主要攝動(dòng)因素之一。 從誤差分析結(jié)果可看出,24 h 內(nèi)的位置矢量偏差最大約為30 m,平均軌道高度偏差最大約為16 m,實(shí)際目標(biāo)航天器的軌道高度在平均軌道高度上下做周期性運(yùn)動(dòng);從計(jì)算精度變化趨勢(shì)來(lái)看,誤差都是隨著時(shí)間推進(jìn)先增大后逐漸收斂,計(jì)算偏差的收斂有助于提高模型預(yù)報(bào)的精度,證實(shí)本文提出研究建立經(jīng)卡爾曼濾波誤差分析與參數(shù)辨識(shí)的氣動(dòng)融合軌道攝動(dòng)模型方案,對(duì)無(wú)控航天器軌道衰降模擬正確性有較強(qiáng)模擬能力。
1) 本文基于J2000 地心慣性坐標(biāo)系軌道攝動(dòng)方程,發(fā)展UKF 和跨流域氣動(dòng)特性一體化快速計(jì)算方法,建立氣動(dòng)融合軌道攝動(dòng)預(yù)報(bào)模型。
2) 針對(duì)大型航天器無(wú)控飛行軌道變化進(jìn)行仿真與誤差精度對(duì)比分析,驗(yàn)證了基于UKF 跨流域氣動(dòng)參數(shù)解算軌道攝動(dòng)模型可靠性。
3) 該方法可以為壽命末期的大型無(wú)控航天器結(jié)束軌道衰降轉(zhuǎn)為再入的時(shí)刻和彈道信息預(yù)報(bào)提供參考,并為壽命末期的目標(biāo)航天器無(wú)控再入解體過(guò)程(桁架結(jié)構(gòu)熱力響應(yīng)變形軟化、復(fù)合材料熱解燒蝕、解體)數(shù)值預(yù)報(bào)的計(jì)算分析提供具有一定精度的軌道衰降再入輸入條件。
4) 進(jìn)一步發(fā)展空氣動(dòng)力融合軌道衰降的濾波誤差分析與參數(shù)辨識(shí)的軌道攝動(dòng)模型,用于大型航天器無(wú)控飛行中長(zhǎng)期軌道預(yù)報(bào),充分發(fā)揮其快速高效是有價(jià)值意義之路。