[論文レビュー] Development of a MATLAB/STK TLE Accuracy Assessment Tool, in support of the NASA Ames Space Traffic Management Project

James Mason|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2013

GNSS positioning and interference参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、CNES-Stella地球測地衛星の真のエフェマリスと比較することで、Two-Line Element (TLE) 軌道予測の精度を評価するための MATLAB/STK ベースのツールを提示する。このツールは STK および Excel と統合されており、TLE の伝搬、軌道予測誤差の定量的評価、誤差増大および共分散の分析を可能にし、NASA アームズの宇宙交通管理プロジェクトにおける改善された接近分析手法の開発を支援する。

ABSTRACT

In order to improve the effectiveness of conjunction analysis using publically available Two Line Elements (TLEs) a number of strategies are being investigated as part of the Space Traffic Management project at NASA Ames Research Center. To assist in evaluating the effectiveness of these approaches a tool was developed in the MATLAB programming language that interfaces with the AGI Satellite Toolkit and with Microsoft Excel. The TLEs and any available truth ephemerides are read in by the tool and propagated orbits are compared using STK to estimate the errors. This tool is employed to determine the covariance and investigate the growth of errors in propagating the orbit of the CNESStella geodetic satellite. The different sources of error are assessed and future improvements to the tool are suggested.

研究の動機と目的

• 接近分析に向けた TLE に基づく軌道予測の正確な評価を可能にするツールの開発を目的とする。
• 公に利用可能な TLE が CNES-Stella 衛星の真のエフェマリスに対して果たす性能を評価することを目的とする。
• TLE 伝搬における誤差増大および共分散を定量的に評価し、より良い宇宙交通管理を支援することを目的とする。
• 将来の緩和戦略のための、TLE に基づく軌道予測精度を著しく低下させる主な誤差要因の特定を目的とする。
• TLE 精度のデータ駆動型検証を通じて、広く NASA アームズの宇宙交通管理プロジェクトを支援することを目的とする。

提案手法

• 本ツールは、高精度な軌道伝搬を実現するため、AGI Satellite Toolkit (STK) と連携する MATLAB で開発された。
• CNES-Stella 衛星の TLE データおよび真のエフェマリスは、STK および Excel との統合を介してツールにインポートされた。
• STK 内の SGP4/SDP4 モデルを用いて、TLE に基づく軌道を伝搬した。
• TLE で予測された軌道と真のエフェマリス軌道との間の位置および速度差を計算し、予測誤差を推定した。
• 複数の時間間隔で予測された軌道状態と真の軌道状態を比較することで、時間経過に伴う誤差増大を分析した。
• 不確実性伝搬の評価を目的として、共分散行列が推定され、評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TLE は、時間経過とともに CNES-Stella 衛星の軌道をどの程度正確に予測するか？
• RQ2 地球測地衛星の TLE に基づく軌道伝搬における誤差増大の割合とパターンは何か？
• RQ3 接近分析における TLE 予測精度を著しく低下させる主な誤差要因は何か？
• RQ4 TLE からの共分散推定値は、実際の軌道予測誤差とどのように比較されるか？
• RQ5 より良い宇宙交通管理を支援するため、TLE 精度評価ツールにどのような改善がなされるべきか？

主な発見

• 本ツールは、CNES-Stella 衛星の TLE 予測軌道と真のエフェマリス軌道との間の位置および速度誤差を成功裏に定量的に評価した。
• 時間経過に伴い顕著な誤差増大が観測され、10日以上の予測期間では位置誤差が著しく増大した。
• TLE からの共分散推定値は、実際の予測誤差と一貫性がなく、現在の不確実性モデルの限界を示唆した。
• 少なくとも一つの主要な誤差要因は、TLE の平均運動および空気抵抗パラメータの不正確さに起因していた。
• 本ツールは、異なる TLE ソースおよび伝搬戦略の体系的比較を可能にし、改善された接近分析を支援した。
• 今後の改善として、より優れた伝搬モデルの統合および誤差要因の詳細な分解が推奨された。