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[科普资料] 航天爱好者的工具软件——新增变轨速度增量计算工具

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darklighter 发表于 2017-3-19 21:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
“共面发射窗口预测工具”最新版传送门:http://bbs.9ifly.cn/forum.php?mo ... d=536248&fromuid=10
“变轨速度增量计算工具”最新版传送门:20楼

发射前将神舟飞船的发射窗口推算到±2秒之内?你也可以!

看结果:
任务软件预测发射窗口实际起飞时间误差(s)
SZ-11
2016/10/17 07:30:33
2016/10/17 07:30:31
2
SZ-10
2013/6/11 17:38:00
2013/6/11 17:38:02
-2
SZ-9
2012/6/16 18:37:23
2012/6/16 18:37:24
-1
SZ-8
2011/11/1 05:58:10
2011/11/1 05:58:10
基准   



使用方法:
1. 确保启用Excel宏;
2. 在“TLE”列里填入目标飞行器(天宫、ISS等)最新的TLE,可从celestrak.com、heavens-above.com等网站获得;
3. 填入发射工位的“经、纬、高”,直接复制表格中已有数据,或在“Sites”工作表里查,或从Google Earth上量取;
4. 在“升降轨”一列中,升轨发射(大致从南向北)填“a”,降轨发射填“d”,请参考已有数据;
5. 在“起始时间”列中填入预测的开始时间,程序将从这个时间附近向后寻找发射窗口;
6. 填入一个神秘“修正量”,请参照已有数据,神舟飞船填-355;
7. 点击“预测”按钮,逐行输出结果,最多处理100行;
8. “相位差”指窗口时刻目标飞行器在轨道上超前发射工位多少角度(分别于地心连线的夹角),
    在工位正上方为0°,在地球正对面为180°。

工作原理:
1. 利用与TLE数据格式搭配的SGP4轨道预报方法,预测目标飞行器任意时刻的位置;
(VBA版的SGP4实现取自http://celestrak.com/publication ... /AIAA-2006-6753.zip)
2. 寻找共面发射窗口,即工位与目标飞行器轨道面重合的时刻;
3. 但不能将重合时刻直接当成发射窗口,还必须加上“修正量”;
4. “修正量”主要反应以下因素的影响:
  a. 运载火箭飞行过程:发射不是从工位瞬移到轨道上,有时还会有偏航迂回机动;
  b. 卫星/飞船飞行过程:卫星/飞船往往不直接进入最终轨道,而是先在高度不同的初始轨道上停留一段时间,
      由于摄动影响,初始轨道与最终轨道的轨道面之间的夹角持续变化,需要发射时补偿;
  c. 其他工程细节因素;
5. “修正量”可从类似发射的历史窗口数据中归纳。

应用实例:
1. 上述原理适用于空间站交汇对接、大部分星座组网发射等情况;
2. Excel文件中提供了多种空间站交汇对接任务的典型实例。

数据分析:
1. Excel文件提供的历史数据包含以下几部分:
  a. 所有种类载人、货运飞船发射的典型数据;
  b. SZ-11任务不同时间TLE的数据,用于观察目标飞行器TLE的新旧对预测精度的影响;
2. 神舟飞船预测精度最高,在±2秒之内,其他飞船大多在±1分钟之内;
3. 对于SZ-11,2周内的TLE数据预测精度均在±10秒之内,天宫最后一次变轨之前有数分钟的误差;
4. 只有神舟飞船每次发射与目标保持固定的相位差(90°左右),其他飞船都能适应大范围的初始相位变化;
5. 上述两点均与天宫在交汇对接前保持在回归轨道,而ISS轨道没有回归特性有关。

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 楼主| darklighter 发表于 2017-5-10 23:48 | 显示全部楼层
上面工具里的两个功能
“变轨速度增量(需求)计算”和“火箭理论速度增量计算”
联合起来可以进行一些分析工作。

工具自带的CZ-3BE的例子解释如下:
http://bbs.9ifly.cn/forum.php?mo ... 9608&fromuid=10

CZ-3BE的数据比较全,这个例子更多是检验方法。
对于一些数据不全的情况,或许可以用类似的方法,利用少数已知数据,推测火箭性能参数和不同轨道的运载能力。
 楼主| darklighter 发表于 2017-5-10 22:58 | 显示全部楼层
darklighter 发表于 2017-4-30 22:09
一个变轨速度增量计算工具:

表格示例:

变轨速度增量计算工具升级:

新增“二级火箭理论速度增量计算”功能模块。
使用应该比较简单,在第二个工作表(Tsiolkovsky)中。
绿色输入、蓝色输出。
输入子级重量参数,输出速度增量。

该功能主要面向变轨计算需求,二级应该够了,不打算支持更多级。
多级火箭从地面到轨道的入轨能力计算需要专门的工具。


在两个功能模块中,均增加了CZ-3BE GTO发射的算例。
数据取自CZ-3A系列用户手册2011版和《世界航天运载器大全(第二版)》。
这个比较有意思,会在别的帖子里分析。


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 楼主| darklighter 发表于 2017-5-10 21:34 | 显示全部楼层
hdcscience2012 发表于 2017-4-19 18:11
预测非常准确,向您表示祝贺~

祝贺应该是给体验了这个小软件的所有航天爱好者的

VBA的代码天然开放。
无论作者还是用户,无论是否有时间研究代码,
只要这个软件在手,就可以说完全掌握了其中并不复杂的技术原理。
从这个角度讲,所有的航天爱好者都可以平等地分享其中的乐趣。
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 楼主| darklighter 发表于 2017-5-10 21:29 | 显示全部楼层
joki 发表于 2017-5-9 14:16
感谢!如获至宝!!
一直以来,对于两条轨道的夹角(球面角)计算方法弄不清,这下解决了大问题。
PS: ...

谢谢鼓励。
后续计划加入非拱点、任意位置冲量变轨计算功能,到时候变轨时间是重要的输入和输出。
joki 发表于 2017-5-9 14:16 | 显示全部楼层
darklighter 发表于 2017-4-30 22:09
一个变轨速度增量计算工具:

表格示例:

感谢!如获至宝!!
一直以来,对于两条轨道的夹角(球面角)计算方法弄不清,这下解决了大问题。
PS:如果下一版能提供滑行时间计算功能就好了。也就是轨道的周期,比如200*10000,200*35786,200*50000,滑行到远地点所需的时间。对于这类计算,应该是个很重要的衡量指标。
 楼主| darklighter 发表于 2017-4-30 22:34 | 显示全部楼层
darklighter 发表于 2017-4-30 22:09
一个变轨速度增量计算工具:

表格示例:

示例的解释:

注意:新建计算条目时,只需复制示例中的任意一行计算即可。

第一个例子是从西昌或卡角发射的28.5°GTO。
火箭首先进入200 x 200km的LEO停泊轨道,滑行至赤道上空,点火进入GTO。
从LEO至GTO的速度增量为2455m/s。
变轨拱点另一拱点速度增量
高度变轨前高度变轨后高度轨道面改变
kmkmkmdegkm/sm/s
LEO(28.5°)至GTO(28.5°)
200
200
35786
0
2.454587365
2454.587365


卫星从200 x 35786km x 28.5°的GTO变轨至35786 x 35786km x 0°的GEO,速度增量1836m/s。
标准GTO(28.5°)至GEO
35786
200
35786
28.5
1.836489786
1836.489786

下面是远地点50000km,倾角减小到23.5°的SGTO(超同步转移轨道)。
首先,从LEO至SGTO,除了远地点增高,还要加偏航削5°倾角,速度增量增加为2748m/s。
LEO(28.5°)至SGTO(23.5°)
200
200
50000
5
2.748038658
2748.038658

从SGTO至GTO分为远地点共变轨和近地点变轨(减速)两部分。
如果23.5度倾角全部在远地点变轨削去,共需速度增量1430 + 214 = 1644m/s。
SGTO(23.5°)至GEO
  远地点变轨
50000
200
35786
23.5
1.429701189
1429.701189
SGTO(23.5°)至GEO
  近地点变轨
35786
50000
35786
0
0.21428172
214.2817201
SGTO(23.5°)至GEO总计
1.643982909
1643.982909

但是,两次变轨,倾角全在一次削,相当于“绕弯路”。
倾角变化按一定比例分配到两次变轨中,才是“两点之间直线最短”,变轨方案才是最优。
对于这个例子,远地点变轨削22.5°,近地点变轨削1°,接近最优解。
共需速度增量1415 + 221 = 1637m/s,比前面的非最优方案少了7m/s,不可忽略。
SGTO(23.5°)至GEO
  远地点变轨(优化)
50000
200
35786
22.5
1.415368215
1415.368215
SGTO(23.5°)至GEO
  近地点变轨(优化)
35786
50000
35786
1
0.221352629
221.3526286
SGTO(23.5°)至GEO总计(优化)
1.636720843
1636.720843

这条SGTO比标准GTO替卫星节省了1836 - 1637 = 199m/s。

但是,如果将卫星和火箭视为一个整体,总的速度增量,SGTO反而多了4385 - 4291 = 94m/s。
由此可见,这种超同步转移轨道,是在火箭能力富余时,消耗火箭富余运载能力的一种低效方法。
其优点是对火箭滑行时间没有更高要求,如果火箭能够滑行更长时间,会有更优的方案。


 楼主| darklighter 发表于 2017-4-30 22:11 | 显示全部楼层
Flying_Pencil 发表于 2017-3-20 12:11
好东西收藏了
有一个在线计算GTO到GEO速度增量的网页,也存这里吧(科学上网)
http://www.satsig.net/or ...

这个网页未提供超同步轨道的速度增了计算功能,上面传的那个工具应该可以解决这一问题。
 楼主| darklighter 发表于 2017-4-30 22:09 | 显示全部楼层
一个变轨速度增量计算工具:

表格示例:


使用说明:
“椭圆轨道拱点瞬时冲量变轨”计算功能:       

需要输入:变轨拱点高度、另一拱点变轨前高度、另一拱点变轨后高度、轨道面改变(角度)       
输入后立刻输出:变轨速度增量、其他次要输出
                                                               
输入输出说明如下:                                                               
1. 拱点:椭圆长轴上的两个点,地球轨道分别叫近地点、远地点,类似的有近月点、远月点、近火点、远火点。
如果是圆轨道,则可以是轨道上任意一点。
               
2. 变轨拱点:本功能只能计算在拱点上发生的变轨(后续计划提供任意位置变轨计算功能)。
3. 瞬时冲量变轨:假设卫星的速度瞬间改变,不经历时间过程,发生在一个点上。
当然,现实世界中不存在瞬时冲量变轨,发动机总要持续工作一段时间,形成一段轨迹。
但是,瞬时冲量变轨可以作为短时变轨的良好近似,便于理论分析。
4. 另一拱点:不是变轨拱点的拱点。如果是圆轨道,是变轨点正对180°处的一点。       
5. 轨道面改变角度:变轨前后,两个轨道面的夹角。
如果该值等于0,则变轨沿速度的方向(速度增量为正)或反方向(速度增量为负)进行。
如果该值不等于零,速度增量是变轨前后速度的矢量差,与变轨前速度的夹角输出为“偏航角”。
       

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hdcscience2012 发表于 2017-4-19 18:11 | 显示全部楼层
darklighter 发表于 2017-4-14 00:04
“共面发射窗口预测工具”版本更新:
ver: 20170413
更新了样例数据,主要是TZ-1的预测部分。

预测非常准确,向您表示祝贺~
 楼主| darklighter 发表于 2017-4-14 00:04 | 显示全部楼层
“共面发射窗口预测工具”版本更新:
ver: 20170413
更新了样例数据,主要是TZ-1的预测部分。
修复了一个可能导致预测时间早于起始时间的问题。



在此一并感谢大家的支持。

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 楼主| darklighter 发表于 2017-4-13 23:34 | 显示全部楼层
Flying_Pencil 发表于 2017-3-20 12:11
好东西收藏了
有一个在线计算GTO到GEO速度增量的网页,也存这里吧(科学上网)
http://www.satsig.net/or ...

值得参考。
各种变轨速度增量计算、SGTO参数选择方面存在计算需求。
i2000s 发表于 2017-3-25 14:58 | 显示全部楼层
建议汇总到爱好版置顶帖?http://bbs.9ifly.cn/thread-14837-1-1.html
Flying_Pencil 发表于 2017-3-20 12:11 | 显示全部楼层
好东西收藏了
有一个在线计算GTO到GEO速度增量的网页,也存这里吧(科学上网)
http://www.satsig.net/orbit-rese ... tion-calculator.htm
输入上次Echostar的轨道22.43 179 35903
出来结果是1711
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hdcscience2012 发表于 2017-3-20 10:23 | 显示全部楼层
站长 发表于 2017-3-20 10:03
谁能利用这个程序提供一个天舟一号的发射窗口?

站长,前面@darklighter 发了。TZ-1预测传送门:http://bbs.9ifly.cn/forum.php?mo ... 3863&fromuid=10

站长 发表于 2017-3-20 10:03 | 显示全部楼层
谁能利用这个程序提供一个天舟一号的发射窗口?
Lsquirrel 发表于 2017-3-20 09:54 | 显示全部楼层
谢谢分享,用起来很方便啊!
击沉CVN 发表于 2017-3-20 09:46 | 显示全部楼层
谢谢分享,好工具
跆拳道大灰狼 发表于 2017-3-20 09:05 | 显示全部楼层
感谢分享,真是好东西了!
hdcscience2012 发表于 2017-3-19 22:58 | 显示全部楼层
不错的工具。请问对于您已经整理好的这些,只需要填入目标飞行器的最新的TLE就可以了吧?
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