基于约束粒子群优化的减参数SGP4轨道再校准方法及其嵌入式系统可行性验证

《Aerospace》：Reduced-Parameter Recalibration of SGP4 Using Precise Orbit Ephemerides and Constrained Particle Swarm Optimisation with Processor-in-the-Loop Validation

　　

摘要

基于两行根数（TLE）并使用简化摄动4（SGP4）进行的轨道预报存在随时间变化、具有偏差且与航天器相关的误差。先前的方法通过将SGP4参数与独立获取的全球导航卫星系统（GNSS）高精度轨道星历进行优化匹配来减小这些误差，但高维优化可能对资源受限的星上处理器带来沉重的计算负担。本文提出了一种基于约束粒子群优化（PSO）的减少参数SGP4再校准方法，考虑对初始平近点角和平运动的校正，并将作为额外参数纳入比较。该方法使用GNSS高精度轨道产品作为高精度参考星历，对哨兵-1A、哨兵-3A和哨兵-6A卫星进行了评估，拟合弧段分别为1.5、6和24小时，独立预报时长最长达24小时。结果表明，预报改善程度强烈依赖于航天器类型和拟合弧段时长：哨兵-1A获得了最持久的收益，在、24小时拟合和24小时预报的配置下，笛卡尔位置均方根误差中位数降低了；而哨兵-3A仅在较短预报时段内有所改善，哨兵-6A则未显示出持续的样本外效益。径向-横向-法向（RTN）分析表明，成功案例主要归因于横向位置和径向速度误差的减小，这与轨道面内累积相位误差的校正相一致。估计相比双参数校正并未提供系统性的预报优势。最后，通过在STM32H563ZI和STM32F411CE微控制器上实施在环处理器（Processor-in-the-Loop）验证，证明了完整的PSO–SGP4再校准方法在主机与嵌入式系统之间的数值一致性以及在受限的计算和内存资源下的可行性。使用实际星上GNSS导航解及其特征性测量不确定度和数据可用性进行的验证留待未来工作。