ANSYS 部落格
February 27, 2024
評估軌道測定運算的有效性
本文是「軌道測定」(OD) 三部曲系列的第一篇，本文將介紹 OD 是什麼、分析其品質時面臨的挑戰，以及一種自動化 OD 品質分析的新方法。在本文中，我們會探討什麼是軌道測定、我們為什麼需要執行 OD，以及要如何判斷其結果是否可信。
追蹤衛星的方法有很多種，例如使用望遠鏡、雷達、雷射或其他技術。這些方法雖然能提供衛星位置的部分資訊，但它們本身無法提供完整的軌道資訊，也無法預測衛星未來在某個時間點的位置。以望遠鏡為例，每次觀測只能得知望遠鏡到衛星的方向，但像是軌道要素、推算星曆或影響衛星的外部環境等資訊，都必須透過軌道測定工具進行處理後才能得知。
什麼是軌道測定？
軌道測定是指根據相關測量結果，對太空船、天然衛星或雙星系統相對於主要天體的軌道進行估算的過程。
為什麼我們要進行軌道測定？
衛星操作人員需要知道衛星過去的位置，以及未來將前往哪裡。舉例來說，若太空船正在收集科學資料，往往需要精確地知道資料收集時的所在位置。此外，未來的飛行軌跡也必須準確預測，才能：
- 排程資料上傳與下載。
- 預測與其他衛星的交會，並在必要時進行閃避機動。
- 安排追蹤觀測時間，以便持續進行軌道測定。
- 精確規劃軌道維持機動。
- 收集資料。如果無法準確掌握太空船的位置，那就無法精確對準感應器目標。
缺乏可信的 OD 結果，後續的衛星操作可能會出現偏差。衛星無法在預期時間出現在地面通訊站上空，造成天線指向錯誤。與其他衛星的交會預測將有所誤差，甚至錯過原本未納入考量的潛在碰撞。機動計畫也可能不夠理想，導致燃料浪費。
軌道測定分析面臨的挑戰？
除非發生明顯錯誤，否則任何軌道測定運算都會產出結果。但您必須深入檢視這些結果，才能判斷這次運算是否真正「成功」。舉例來說，如果一開始對衛星的初始狀態估算錯誤，或者對追蹤資料品質過度自信，就有可能導致大多數 (甚至全部) 測量值都被拒絕。這樣一來，最終您只是在單純推進最初設定的狀態，無法真正利用新的測量資料修正整條軌道。雖然這類問題理應能被執行 OD 的任何軌道分析師察覺，但仍有一些較為細微的狀況，未必人人都能看出來，對經驗較少的分析師而言更可能被忽略。
如何確認 OD 結果是正確的？
並沒有一種單一的測試可以判斷 OD 運算是否有效，所以通常「找出錯誤」比「證明沒問題」要來得容易。要確認準確性，大多仰賴對 OD 結果圖表的分析，並確保沒有出現異常行為的跡象。
以下提供一個簡單的範例：剩餘值比例圖會顯示哪些追蹤資料被 OD 運算接受，哪些被拒絕。剩餘值比例是一種標準化指標，表示實際測量值與預期值之間的差異。為了排除誤差過大的測量值，所有剩餘比例超出 ±3σ 的測量值都會被排除，因為其誤差已大於預期範圍。
剩餘值比例圖：大量測量值遭拒的情況
剩餘值比例圖：測量值被接受的情況
上述這個範例看起來不錯：測量值大致分布在 ±3σ 的範圍內，呈現高斯分布 (白雜訊) 型態，只有少數測量值被拒絕。但僅觀察測量值是否被接受，並不能說明整個情況。例如在下方這張圖中，雖然大多數測量值被接受，但其分布並不呈現預期的白雜訊型態，這可能暗示著力模型存在問題，或是其他潛在的誤差。
剩餘值比例圖：可能存在力模型問題
除了剩餘值比例外，軌道分析師還可以進一步透過其他方式驗證結果是否合理，例如下方所示的位置一致性圖與直方圖等。舉例來說，濾波器運算得出的衛星位置估算值，是否與平滑器得出的結果一致？空氣阻力與太陽輻射壓力的估算值是否相符？追蹤站是否正確校準？機動操作的估算是否與衛星預期的行為相符？最終，判斷 OD 運算是否「良好」，仍然仰賴軌道分析師的直覺與經驗程度。
位置一致性圖
直方圖
邁出下一步
雖然辨識 OD 運算中明顯的問題相對容易，但有時要發現那些不那麼顯而易見的問題，則需要具備豐富經驗的軌道分析師。那麼，我們該如何將這些資深分析師的經驗延伸給新進分析師呢？在本系列的第二篇文章中，我們將介紹我們如何透過 Ansys Orbit Determination Tool Kit (ODTK) 中的 AI 功能，來實現 OD 品質分析的自動化。