一种高精度实时卫星轨道瞬时半长轴的去振算法制造技术

本发明专利技术提出一种基于离散傅里叶变换和最小二乘拟合的卫星轨道半长轴去振方案，构建适用于卫星轨道相位控制的去振半长轴计算方法，建立了一种结合轨道预报、数值平均和数值拟合的方法，进而设计了一种高精度实时的卫星轨道半长轴的去振算法。本发明专利技术采取了数值平均和数值拟合的理念，利用数值平均，给出初次去振半长轴；再利用离散傅里叶变换和数值拟合的方法进一步去振荡。本发明专利技术的具体实现方法是利用轨道动力学模型进行轨道预报，从而得到足够长时间段的卫星高精度的绝对位置和速度信息，最后计算得到卫星轨道的瞬时半长轴，利用一定周期内的瞬时半长轴，使用数值平均获取初次去振半长轴；离散傅里叶变换提取残余短周期振荡的固有频率；最后根据残余短周期振荡固有频率，使用数值拟合的方法，计算得到卫星轨道去振平均半长轴。本发明专利技术具有导航精度高、实时性好的优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度实时卫星轨道瞬时半长轴的去振算法


[0001]本专利技术提供一种高精度实时卫星轨道瞬时半长轴的去振算法，它涉及在一定时间内卫星高精度轨道已知的情况下，通过短时间内的轨道预报加长可利用轨道，轨道瞬时半长轴的分段数值平均初次去振，离散傅里叶变换提取初次去振半长轴残余的短周期振荡固有频率，初次去振半长轴的数值拟合，去掉残余的短周期振荡项，保留长期项和长周期项，最后得到消除短周期振荡后的卫星轨道平均半长轴。属于导航


技术介绍

[0002]随着小卫星星座技术的快速发展,小卫星星座受到了世界各航天大国的重视。鸽群卫星(DOVE)星座，由美国Planet Labs公司研制。它使用体积为3U(10cm
×
10cm
×
30cm)，重量仅为5.8Kg的CubeSat卫星，组成小卫星编队，可以达到对地3m分辨率的观测，并且可以做到每天遍历拍摄地球一遍，如果使用传统卫星星座造价将非常高昂。星链(StarLink)卫星星座，由著名的SpaceX公司研制，SpaceX公司计划在2024年之前发射超过万颗小卫星，组成卫星星座。根据SpaceX公司，如果一切顺利，星链卫星星座将会提供低成本的互联网连接任务，并且不会受到地理位置的限制，这会极大推动互联网的发展。
[0003]但大部分卫星星座都面临着轨道相位保持的问题，一般需要通过轨道相位控制来保持整个星座。假设卫星实际位置为A
’
，而卫星应该在目标位置为A，它们之间的纬度幅角的夹角为α，卫星需要通过轨道相位控制来保证α角不能太大。
[0004]一般而言，卫星是通过控制轨道半长轴来保持轨道相位的。如果一个在理想位置的卫星的轨道半长轴变大，将导致卫星轨道周期增加，这会导致卫星的相位误差越来越大。所以确定卫星轨道半长轴，成为卫星相位控制的重中之重。
[0005]卫星的瞬时半长轴，可以分为三部分组成，分别为长期项，长周期项和短周期振荡项。长期项，主要是卫星在地球中心引力场影响下的轨道，是轨道半长轴的主要组成部分，长期项的变化无周期可言，会随着时间逐渐漂移。在地球非球型重力场、地球变形引起的海潮和地固潮、太阳和月球引起的三体引力、大气阻力、太阳光压等摄动力的影响下，轨道半长轴便会产生短周期震荡项和长周期项。卫星轨道半长轴的长周期项是指的是实际轨道半长轴随着时间缓慢地周期性变化，经过一个较长周期后才会比较明显；而卫星轨道半长轴的短周期振荡，是指的轨道半长轴在一个值附近来回快速的振荡，周期相对较短。
[0006]目前低轨卫星一般由GNSS定轨技术确定轨道，获得卫星轨道半长轴。GNSS的全称为全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System),包括了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的北斗等。这是一种能为用户提供空间和时间基准的系统。一种随着GNSS系统的发展，有越来越多的低轨卫星使用了基于GNSS的卫星精密定轨技术。
[0007]但是应用GNSS定轨技术，只能获得每个时刻的低轨卫星轨道的瞬时半长轴，这对小卫星相位控制是相当不利的。因为大部分时候，卫星轨道相位控制的目的是为了抑制卫星相位的长期漂移，也就是抑制轨道半长轴的长期漂移，一般不希望对卫星轨道半长轴的
短周期振荡做处理，因为短周期振荡项对相位影响较小，且处理起来会浪费很多燃料，这对很多卫星，特别是小卫星而言，是无法接受的。
[0008]轨道瞬时半长轴的短周期项，即使对卫星相位的影响较小，但在短期内对瞬时半长轴的影响远大于长期项的漂移部分和长周期项。而卫星的轨道相位控制系统，又恰恰是通过实际半长轴和目标半长轴的差，来确定是否进行轨道控制的。如果不将瞬时半长轴中的短周期振荡项剔除的话，轨道相位控制系统进行控制的次数会远远高于应当控制的次数，这会大大提高燃油损耗，提高卫星的成本。
[0009]综上，本专利技术提出了一种高精度的实时的卫星轨道半长轴的去振算法，它在一定时间段内卫星的高精度轨道已知的情况下，通过短时间的卫星轨道预报获得更长时间段的高精度轨道，之后进行轨道半长轴分段平均(初次去振)，通过离散傅里叶变换确定初次去振后残余的短周期振荡固有频率，最后采取数值拟合的方式，去掉初次去振半长轴中残余的短周期振荡项，保留长期项和长周期项，最后得到消除短周期振荡后的卫星轨道平均半长轴。

技术实现思路

[0010](一)专利技术目的
[0011]本专利技术的目的是为了剔除卫星轨道瞬时半长轴的短周期振荡，为轨道相位控制系统提供一个有效的反馈值。本专利技术提出在一定时间段内卫星的高精度轨道已知的情况下，通过短时间的卫星轨道预报获得更长时间的高精度轨道，之后进行轨道半长轴分段平均(初次去振)，通过离散傅里叶变换确定初次去振后残余的短周期振荡固有频率，最后采取数值拟合的方式，去掉初次去振半长轴中残余的短周期振荡项，保留长期项和长周期项，最后得到消除短周期振荡后的卫星轨道平均半长轴。本专利技术具有精度高，实时性好的优点，适用于卫星通过轨道半长轴进行轨道相位控制的场景。
[0012](二)技术方案
[0013]本专利技术所述的高精度实时的轨道瞬时半长轴去振算法的实施步骤如下所示：
[0014]步骤一：获取一定时间段内的卫星高精度轨道
[0015]步骤二：利用轨道动力学预报轨道，获取更长时间段的卫星高精度轨道。
[0016]卫星在受到的合外力为F，地球自转角速度为ω，卫星在WGS84坐标系下的位置矢量为r，那么卫星在WGS84坐标系下的动力学方程
[0017][0018]其中2ω
×
r是科里奥利加速度，ω
×
(ω
×
r)是离心加速度，m为卫星的质量。F为卫星所受到的合外力，包括地球中心引力、地球非球型重力场、地球变形引起的海潮和地固潮、太阳和月球引起的三体引力、大气阻力、太阳光压等摄动力，其中地球中心引力为最主要的力，其他摄动力可看作小量。
[0019]地球的角速度矢量在WGS84坐标系下表示为
[0020]ω≈[0 0 7.292
×
10
‑5]T
rad/s
ꢀꢀ
(2)
[0021]通过方程(1)的数值计算，可以将t
i
‑1时刻的位置速度r
i
‑1和v
i
‑1，预报得到卫星t
i
时刻的位置速度r
i
和v
i
。
[0022]步骤三：利用瞬时位置速度，求瞬时半长轴。
[0023]在t
i
时刻的位置速度大小为
[0024]r
i
＝||r
i
||
ꢀꢀ
(3)
[0025]v
i
＝||v
i
||
ꢀꢀ
(4)
[0026]在t
i
时刻的瞬时半长轴为
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度实时卫星轨道瞬时半长轴的去振算法，其步骤如下：步骤一：获取一定时间段内的卫星高精度轨道。步骤二：利用轨道动力学预报轨道，获取更长时间段的卫星高精度轨道。步骤三：利用瞬时位置速度，求瞬时半长轴。步骤四：检查是否有q个N圈的瞬时半长轴数据，如果没有，重复步骤二到三。整数值N...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈培，程乙洲，贾振俊，耿铖，孙秀聪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：