ISO/TR 11233:2014

Space systems — Orbit determination and estimation — Process for describing techniques

ISO/TR 11233:2014 prescribes the manner in which orbit determination and estimation techniques are to be described so that parties can plan operations with sufficient margin to accommodate different individual approaches to orbit determination and estimation. ISO/TR 11233:2014 does not require the exchange of orbit data nor does it prescribe a method of performing orbit determination. It only prescribes the information that shall accompany such data so that collaborating satellite owners/operators understand the similarities and differences between their independent orbit determination processes. All satellite owners/operators are entitled to a preferred approach to physical approximations, numerical implementation, and computational execution of orbit determination and estimation of future states of their satellites. Mission demands should determine the architecture (speed of execution, required precision, etc.). ISO/TR 11233:2014 will enable stakeholders to describe their techniques in a manner that is uniformly understood. Implementation details that can have proprietary or competitive advantage need not be revealed.

Systèmes spatiaux — Détermination et estimation de l'orbite — Processus pour la description des techniques

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 08-Apr-2014
• ICS: 49.140 - Space systems and operations
• Technical Committee: ISO/TC 20/SC 14 - Space systems and operations
• Drafting Committee: ISO/TC 20/SC 14/WG 3 - Operations and support systems

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 11233
First edition
2014-04-15
Space systems — Orbit determination
and estimation — Process for
describing techniques
Systèmes spatiaux — Détermination et estimation de l’orbite —
Processus pour la description des techniques
Reference number
©
ISO 2014
© ISO 2014
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail [e-mail]
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2014 – All rights reserved

Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Symbols and abbreviated terms . 1
3 Background . 1
3.1 General . 1
3.2 Initial orbit determination . 2
3.3 Subsequent orbit determination . 2
3.4 Required information for orbit determination . 3
3.5 Orbit elements . 7
3.6 Coordinate systems . 9
3.7 Reference frames .12
3.8 State variables, mean orbits, and covariance .13
3.9 Orbit propagators .13
4 Documentary requirements .14
Annex A (informative) Representative widely used orbit determination and estimation tool sets 15
Annex B (informative) Representative reference frames .16
Annex C (informative) Representative numerical integration schemes .17
Annex D (informative) Sample data sheet .18
Bibliography .19
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 20, Aircraft and space vehicles, Subcommittee
SC 14, Space systems and operations.
iv © ISO 2014 – All rights reserved

Introduction
This Technical Report prescribes the manner in which satellite owners/operators describe techniques
used to determine orbits from active and passive observations and the manner in which they estimate
satellite orbit evolution.
The same data inputs lead to different predictions when they are used in different models. Satellite
owners/operators shall often accept orbit descriptions developed with physical models that others
employ. The differences in orbit propagation as a result of using different physical models and numerical
techniques can be significant. Safe and cooperative operations among those who operate satellites
demand that each satellite owner/operator understand the differences among their approaches to orbit
determination and propagation.
TECHNICAL REPORT ISO/TR 11233:2014(E)
Space systems — Orbit determination and estimation —
Process for describing techniques
1 Scope
This Technical Report prescribes the manner in which orbit determination and estimation techniques
are to be described so that parties can plan operations with sufficient margin to accommodate different
individual approaches to orbit determination and estimation. This Technical Report does not require the
exchange of orbit data nor does it prescribe a method of performing orbit determination. It only prescribes
the information that shall accompany such data so that collaborating satellite owners/operators
understand the similarities and differences between their independent orbit determination processes.
All satellite owners/operators are entitled to a preferred approach to physical approximations,
numerical implementation, and computational execution of orbit determination and estimation of
future states of their satellites. Mission demands should determine the architecture (speed of execution,
required precision, etc.). This Technical Report will enable stakeholders to describe their techniques in a
manner that is uniformly understood. Implementation details that can have proprietary or competitive
advantage need not be revealed.
2 Symbols and abbreviated terms
BDRF Bidirectional Reflectance Function
FPA Flight Path Angle
GPS Global Positioning System
HEO High Earth Orbit
IOD Initial Orbital Determination
LEO Low Earth Orbit
LS Least Squares
OD Orbital Determination
RAAN Right Ascension of the Ascending Node
RMS Root Mean Square
SP Sequential Processing
TLE Two-line Elements
UTC Coordinated Universal Time
3 Background
3.1 General
Satellite orbit determination (OD) estimates the position and velocity of an orbiting object from discrete
observations. The set of observations includes external measurements from terrestrial or space-based
sensors and measurements from instruments on the satellite itself. Satellite orbit propagation estimates
the future state of motion of a satellite whose orbit has been determined from past observations. Though
a satellite’s motion is described by a set of ideal equations of motion representing physical hypotheses,
the observations used in OD are subject to systematic and random uncertainties. Therefore, OD and
propagation are probabilistic and can only approximately describe the satellite’s motion. The degree of
approximation that can be tolerated depends on the intended use of the orbital information.
A spacecraft is influenced by a variety of external forces, including terrestrial gravity, atmospheric
drag, multibody gravitation, solar radiation pressure, tides, and spacecraft thrusters. Selection of forces
for modelling depends on the accuracy and precision required from the OD process and the amount
of available data. The complex modelling of these forces results in a highly nonlinear set of dynamical
equations. Many physical and computational uncertainties limit the accuracy and precision of the
spacecraft state that can be determined. Similarly, the observational data are inherently nonlinear with
respect to the state of motion of the spacecraft and some influences might not have been included in
models of the observation of the state of motion.
Satellite OD and propagation are stochastic estimation problems because observations are inherently
noisy and uncertain and because not all of the phenomena that influence satellite motion are clearly
discernable. Estimation is the process of extracting a desired time-varying signal from statistically
noisy observations accumulated over time. Estimation encompasses data smoothing, which is statistical
inference from past observations; filtering, which infers the signal from past observations and current
observations; and prediction or propagation, which employs past and current observations to infer the
future of the signal.
This Technical Report and related ISO documents employ the term “orbit data.” Orbit data encompasses
all forms of data that contribute to determining the orbits of satellites and that report the outcomes of
orbit determination in order to estimate the future trajectory of a satellite. This includes observations
of satellite states of motion either through active illumination, as with radars, or through passive
observation of electromagnetic energy emitted or reflected from satellites, as with telescopes.
It is desirable to keep each space orbit standard as simple as possible, treating the form and content
of orbit data exchange, description of the modelling approach, and other relevant but independent
aspects individually. It is hoped that this will develop a sufficient body of standards incrementally, not
complicating matters for which there is consensus with matters that might be contentious.
Most in the space community employ a variation of only a few major architectures. These architectures
are cited in many texts and references that need not be enumerated in this document.
OD begins with observations from specified locations and produces spacecraft position and velocity, all
quantities subject to quantifiable uncertainty.
3.2 Initial orbit determination
Initial OD (IOD) methods input tracking measurements with tracking platform locations, and output
spacecraft position and velocity estimates. No a priori orbit estimate is required. Associated solution
error magnitudes can be very large. IOD methods are sometimes nonlinear methods and are often
trivial to implement. Measurement editing is typically not performed during IOD calculations because
there are insufficient observations. Operationally, the OD process is frequently begun, or restarted, with
IOD. IOD methods were derived by various authors: LaPlace, Poincaré, Gauss, Lagrange, Lambert, Gibbs,
Herrick, Williams, Stumpp, Lancaster, Blanchard, Gooding, and Smith. Restarting techniques are most
easily accomplished by using a solution from another technique.
3.3 Subsequent orbit determination
3.3.1 Least squares differential corrections
Least squares (LS) methods input tracking measurements with tracking platform locations and an a
priori orbit estimate, and output a refined orbit estimate. Associated solution error magnitudes are
by definition small when compared to IOD outputs. LS methods consist of an iterative sequence of
2 © ISO 2014 – All rights reserved

corrections where sequence convergence is defined as a function of tracking measurement residual root
mean square (RMS). Each correction is characterized by a minimization of the sum of squares of tracking
measurement residuals. The LS method was derived first by Gauss in 1795 and then independently by
Legendre.
...

ТЕХНИЧЕСКИЙ ISO/TR
ОТЧЕТ 11233
Первое издание
2014-04-15
Системы космические. Определение
орбиты и оценка. Процесс описания
методов
Space systems — Orbit determination and estimation — Process for
describing techniques
Ответственность за подготовку русской версии несёт GOST R
(Российская Федерация) в соответствии со статьёй 18.1 Устава ISO
Ссылочный номер
©
ISO 2014
ДОКУМЕНТ ЗАЩИЩЕН АВТОРСКИМ ПРАВОМ

©  ISO 2014
Все права сохраняются. Если не указано иное, никакую часть настоящей публикации нельзя копировать или использовать в
какой-либо форме или каким-либо электронным или механическим способом, включая фотокопии и микрофильмы, без
предварительного письменного согласия ISO по адресу ниже или членов ISO в стране регистрации пребывания.
ISO copyright office
Case postale 56  CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail [e-mail]
веб-сайт www.iso.org
Опубликовано в Швейцарии
ii © ISO 2014 – Все права сохраняются

Содержание Страница
Предисловие . 4
Введение . 5
1 Область применения . 1
2 Символы и сокращения . 1
3 История вопроса . 1
3.1 Общие положения . 1
3.2 Начальное определение орбиты . 2
3.3 Последующее определение орбиты . 3
3.4 Необходимая информация для определения орбиты . 3
3.5 Элементы орбиты . 8
3.6 Координатные системы . 9
3.7 Системы отсчета . 13
3.8 Переменные состояния, средние орбиты и ковариантность . 13
3.9 Распространение орбит . 14
4 Требования к документам . 14
Приложение А (информативное) Широко используемое определение орбиты и
инструментов для оценки . 15
Приложение В (информативное) Репрезентативные системы отсчета . 16
Приложение С (информативное) Репрезентативные схемы численной интеграции . 17
Приложение D (информативное) Образец набора данных . 18
Библиография . 19
Предисловие
Международная организация по стандартизации (ISO) является всемирной федерацией
национальных организаций по стандартизации (комитетов-членов ISO). Разработка международных
стандартов обычно осуществляется техническими комитетами ISO. Каждый комитет-член,
заинтересованный в деятельности, для которой был создан технический комитет, имеет право быть
представленным в этом комитете. Международные правительственные и неправительственные
организации, имеющие связи с ISO, также принимают участие в работах. ISO работает в тесном
сотрудничестве с Международной электротехнической комиссией (IEC) по всем вопросам
стандартизации в области электротехники.
Процедуры разработки документа и дальнейшего ведения его установлены в Части 1 Директив
ISO/IEC. В частности, следует отметить необходимость других критериев одобрения для различных
типов документов ISO. Данный документ разработан в соответствии с правилами Части 2 Директив
ISO/IEC www.iso.org/directives.
Следует иметь в виду, что некоторые элементы данного документа могут быть объектом патентных
прав. Организация ISO не должна нести ответственность за идентификацию какого-либо одного или
всех патентных прав. Детали объекта патентных прав размещаются в разделе Введение и/или на
сайте ISO в разделе Патентных прав. www.iso.org/patents
Любое торговое имя используемое в этом документе является информацией предоставляемой для
удобства пользователей и не является передаточной надпись.
За разъяснениями о значении специфических терминов и выражений ISO, относящихся к оценке
соответствия, а также информации о следовании ISO принципам ВТО о технических барьерах в
торговле (TBT – Technical Barriers to Trade) см. по следующему URL: Предисловие - Дополнительная
информация Foreword - Supplementary information
Данный документ разработан Техническим комитетом ISO/TC 20 Авиационные и космические
аппараты, Подкомитетом SC 14, Космические системы и их эксплуатация
iv © ISO 2014 – Все права сохраняются

Введение
Данный технический отчет устанавливает порядок того, как владельцы/операторы спутников
описывают методы, используемые для определения орбит из активных и пассивных наблюдений и
порядок оценки эволюции орбит спутников.
Одни и те же входные данные приводят к различным предсказаниям, когда они используются в разных
моделях. Спутниковые владельцы/операторы должны часто использовать описание орбиты из
физической модели, которую используют другие. Различия в орбите в результате использования
различных физических моделей и численных методов могут быть значительными. Безопасная
совместная деятельность тех, кто эксплуатирует спутники, требует, чтобы каждый владелец/оператор
спутника понимал все различия между подходами к определению орбиты и движением спутника по
ней.
ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ ISO/TR 11233:2014(R)

Системы космические. Определение орбиты и оценка.
Процесс описания методов
1 Область применения
Данный технический отчет устанавливает порядок описания определения орбит и методов их оценки,
они должны быть описаны так, чтобы все участники процесса могли планировать свои действия с
некоторыми допусками, чтобы учитывать различные индивидуальные подходы к определению орбиты
и оценке ситуации. Данный технический отчет не требует обмена данными об орбите, а также не
определяет способа определения параметров орбиты. Он только определяет информацию, которая
должна сопровождать такие данные, чтобы сотрудничество владельцев/операторов спутников с ее
помощью могло разобраться в сходствах и различиях между их независимым определением
элементов орбиты.
Все спутниковые владельцы/операторы имеют право собственного предпочтительного подхода для
физических приближений, численной реализации и вычислительного определение орбиты и оценке
будущего состояния своих спутников. Миссия должна определить требования к архитектуре (скорость
исполнения, требуемую точность и др.). Данный технический отчет позволит участникам описать их
методы единообразно понимаемым способом. Детали реализации, которые могут содержать
производственные подробности или конкурентное преимущество не должны обнародоваться.
2 Символы и сокращения
Двунаправленная функция отражения
BDRF
FPA Угол полета траектории
GPS Система глобального позиционирования
HEO Высокая околоземная орбита
IOD Начальное определение орбиты
LEO Низкая околоземная орбита
LS Метод наименьших квадратов
OD Определение орбиты
RAAN Прямое восхождение восходящего узла
RMS Метод среднеквадратичных отклонений
SP Последовательная обработка
TLE Двухлинейные элементы
UTC Универсальное координированное время
3 История вопроса
3.1 Общие положения
Определение элементов орбиты спутника (OD) оценивает положение и скорость орбитального объекта
на основе конкретных наблюдений. Комплекс наблюдений включает в себя внешние измерений
наземных или космических датчиков и измерений приборов на самом спутнике. Прокладывание (или
распространение) спутниковой орбиты оценивает будущее состояния движения спутника, чьи орбиты
определяется на основе прошлых наблюдений. Хотя движение спутника описывается набором
идеальных уравнений движения, представляющих физические гипотезы, наблюдения, используемые в
OD подвержены систематической и случайной неопределенности. Поэтому OD и построение
траекторий являются вероятностными и могут лишь приблизительно описать движение спутника.
Степень приближения зависит от предполагаемого использования орбитальной информации.
Космический корабль находится под воздействием самых разных внешних сил, в том числе и
гравитационного поля Земли, сопротивление атмосферы, гравитации различных космических тел,
давления солнечной радиации, приливов, воздействия космических аппаратов и двигателей. Выбор
сил для моделирования зависит от точности процесса OD и объема имеющихся данных. Комплекс
моделирования этих сил приводит к набору сильно нелинейных динамических уравнений. Многие
физические и вычислительные неопределенности ограничивают точность и надежность определения
состояния космического аппарата. Аналогичным образом, наблюдательные данные, нелинейные по
своей природе, по отношению к состоянию движения космического аппарата и некоторым влияниям, не
включаются в модели наблюдения состояния движения.
Спутниковое OD и распространение траекторий спутников является стохастическими задачами,
поскольку наблюдения всегда сопровождаются неопределенными шумами и потому, что не все
явления, которые влияют на движение спутника, четко различимы. Оценка - это процесс извлечения
нужного сигнала, изменяющегося во времени, из наблюдений со статистическими шумами,
накопленными в течение определенного времени. Оценка содержит в себе сглаживание данных c
использованием статистики из прошлых наблюдений; фильтрацию, которая основывается на прошлых
наблюдениях и текущих наблюдениях и предсказания, которые используют прошлые и текущие
наблюдения, чтобы сделать вывод о будущих сигналах.
Данный технический отчет ISO и соответствующие документы используют термин “данные орбиты.”
Данные орбиты содержат в себе все формы данных, которые способствуют определению орбит
спутников и сообщают о результатах определения орбиты для того, чтобы оценить будущие
траектории спутника. Это включает в себя определение позиций спутников либо путем активного
освещения с радаров, либо путем пассивного наблюдения электромагнитной энергии, излучаемый или
отражаемой от спутников телескопами.
Желательно хранить стандарт каждой космической орбиты максимально простым, обрабатывать
формы и содержание данных об орбите, описание метода моделирования и других соответствующих
независимых аспектов индивидуально. Хочется надеяться, что это будет развивать достаточную массу
стандартов постепенно, не усложняя ситуацию, для которой существует консенсус с вопросами,
которые могут быть спорными.
В большинстве организаций космического сообщества используют вариации только нескольких
основных архитектур. Эти архитектуры цитируются во многих текстах и ссылках, которые не
перечислены в этом документе
OD начинается с наблюдений из указанных мест и определяет положение и скорость космического
аппарата с учетом количественной оценки неопределенности.
3.2 Начальное определение орбиты
Методы начального определения орбиты (IOD – initial orbit determination) содержат измерения с
отслеживанием местоположения платформы, положением космического корабля и его скорости. Не
требуется предварительной оценки орбиты. Ошибки в связанных величинах могут быть очень
большими. Методы IOD могут быть нелинейными, порой бывают и тривиальными для реализации.
Корректирование измерений обычно не выполняется во время расчетов IOD, потому что для этого нет
достаточных наблюдений. Обычно процесс OD часто начинается, или бывает перезапущен, с IOD.
Методы IOD были разработаны различными авторами, среди которых такие известные имена, как
Лаплас, Пуанкаре, Гаусс, Лагранж, Ламберт, Гиббс, Геррик, Уильямс, Штамп, Ланкастер, Бланшар,
Гудинг, и Смит. Методы перезапуска наиболее легко осуществить при помощи использования другой
техники.
2 © ISO 2014 – Все права сохраняются

3.3 Последующее определение орбиты
3.3.1 Дифференциальные поправки с помощью метода наименьших квадратов
Метод наименьших квадратов (LS) позволяет отслеживать измерения с отслеживанием
местоположения платформы и априорной оценки орбиты. Ошибки измерения являются небольшими
по сравнению с ошибками начального определения орбиты. Метод наименьших квадратов состоит из
последовательности итерационных корректировок, где сходимости последовательности определяется
как функция отслеживания измерения остаточного среднеквадратичного отклонения. Каждая
коррекция характеризуется минимизацией суммы квадратов невязок измерений слежения. Метод
наименьших квадратов был получен сначала в 1795 году Гауссом, а затем самостоятельно
Лежандром.
3.3.2 Последовательная обработка
Методы последовательной обработки (SP) отличаются от методов обработки наименьших квадратов
тем, что пакеты данных рассматриваются последовательно, собирая набор наблюдений в течение
заданного интервала времени и каждый интервал рассматривается после следующего.
Последовательную обработку можно рассматривать как скользящее временное окно, содержимое
которого фиксируется и обрабатывается в определенном интервале времени, вне зависимости от
ранее обработанных пакетов данных. Анализ не включает в себя обработку шума на входе. Это
никоим образом не эквивалентно фильтрации, в котором каждое новое на
...