何建 旷小兵
【摘要】 在低轨卫星过顶时间段内，卫星地面站根据轨道预报完成自动跟踪才能实现与卫星通信。针对轨道预报需要，提出了一种基于STM32单片机卫星轨道预报系统平台。将轨道预报算法进行了嵌入式软件设计，满足于在STM32单片机上运行。该设计在保证轨道预报精度情况下，系统平台较传统的轨道预报方法实用性强，简化预报程序和相应的上位机软件， 提高预报效率。
【关键词】 轨道预报 数值积分 卫星轨道根数 STM32单片机
引言
在低轨卫星过顶这段时间内，卫星地面站处于低轨卫星天线波束覆盖范围内，过顶预报用到的轨道预报算法十分复杂。大都是采用上位机软件进行过顶预报，再将预报结果下发给卫星地面站。这样以来，过顶预报需要人为操作，而且容易出错，预报实时性不高。
为此，本文提出了一种基于STM32低轨卫星轨道预报系统，该系统位于卫星地面站内，只需要将预报卫星轨道根数下发给该系统就能进行实时预报，操作简单、长时间全天候预报，不需要人为干预。
一、系统硬件电路设计
系统硬件电路包括：单片机电路、FLASH存储电路、GPS接收电路、串口接口电路等组成。系统电路框图如图1所示。
该电路以单片机STM32F429ZTI6为核心，主要用于控制整个系统的运行以及星历解算的实现;FLASH存储电路主要用于存储计算章动时需要的DE405星历数据，计算极移和地球自转角时需要的EOP数据，将这些外部数据从得到的原始数据中提取出来，存放在二进制文件中，以提高计算程序的效率;GPS接收电路主要用于接收地面站的位置、速度和时间信息;串口接口电路主要用于将卫星轨道预报结果输出给地面站，接收卫星轨道根数的输入。
二、系统软件设计
系统软件能够根据预先设定的轨道参数实时计算出卫星在WGS-84坐标系下的经度、纬度和高度，结合地面站位置坐标，计算出地面站天线指向卫星的方位角和俯仰角。
2.1数值积分
Cowell法是求解航天器运动微分方程时最为简单的数值积分算法——它直接对运动方程在J2000.0赤道惯性坐标系中的分量形式进行数值积分：
式中：
μ——地球引力常数;
fx、fy、fz——分别为三轴摄动加速度，主要包括地球形状摄动、大气阻力摄动、日月摄动、太阳光压摄动。
2.2地面站天线指向
地面站指向卫星的矢量s在WGS-84坐标系中表示为：
其中：表示卫星在WGS-84坐标系中的位置坐标
表示地面站在WGS-84坐标系中的位置坐标
地面站指向卫星的矢量s在“北-天-东”坐标系中表示为：
地面站指向卫星的矢量s在地面站天线本体坐标系中表示为：
地面站天线俯仰角
地面站天线方位角
2.3系统流程设计
结合卫星轨道预报的输入参数，用单步法起步，开始进行轨道积分并依次计算卫星星历，使用Cowell 数值积分器轨道预报，整个卫星轨道预报具体流程见图2所示。
三、系统验证与分析
3.1 输入数据
以低轨卫星为验证对象，使用美国AGI公司开发的STK（Satellite Tool Kit，卫星工具包）中的HPOP（High Precision Orbit Propagator，高精度轨道预报）模型为验证基准。卫星轨道根数采用表1所示。
3.2计算结果及误差分析
如图3所示，STK与STM32计算的方位角与俯仰角预报值进行对比分析可知，在低轨卫星过顶时间段内，当低轨卫星进入可视范围，方位角180度时方位误差最小为0.2×10-3，俯仰角33度时误差最大为+0.5×10-3;当低轨卫星经过头顶，方位角250度时方位误差最大为2.2×10-3，俯仰角68度时误差最小为0;当低轨卫星离开可视范围，方位角340度时方位误差最大为2.2×10-3，俯仰角33度时误差在-0.5×10-3。方位角誤差在10-3数量级，俯仰角误差在10-3数量级，误差范围很小，满足低轨卫星跟踪需要。
如图4所示，STK与STM32计算的经度、纬度、高度进行对比分析可知，在低轨卫星过顶时间段内，经度误差在10-5数量级，纬度误差在10-4数量级，高度误差在0.1米以内，误差范围很小，满足低轨卫星跟踪需要。
四、结束语
本文设计了一种基于STM32低轨卫星预报系统平台，通过与STK软件中HPOP模型卫星预报数据进行对比分析。分析结果表明，计算结果与STK软件星历预报结果偏差较小，能够满足空间低轨卫星轨迹预报的精度要求。本系统平台较传统的轨道预报方法实用性强，简化预报程序和相应的上位机软件， 提高预报效率。可应用于地面卫星站跟踪卫星目标的需要。
参 考 文 献
[1] 孟祥强，马广彬，黄鹏，等.一种大椭圆轨道卫星星历预报方法[J].飞行器测控学报，2017（3）
[2] 张如伟，刘根友.低轨卫星轨道拟合及预报方法研究[J].大地测量与地球动力学，2008（4）
[3] 雷伟伟，张捍卫，李凯.岁差章动模型更新等因素对坐标转换的影响[J] .飞行器测控学报，2016（01）
[4] 付兆萍，卫星轨道运动方程数值算法研究[D]， 华中科技大学硕士学位论文，2006
[5] 王威，于志坚，航天器轨道确定——模型与算法[M].北京：国防工业出版社，2007
[6] 郑慧娆，陈绍林，莫忠息等.数值计算方法[M].武汉：武汉大学出版社，2002
[7]马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京虹口航天大学出版社，2003
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