CN108562295B - 一种基于同步卫星二体模型的三站时差定轨方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子对抗技术领域,涉及一种基于同步卫星二体模型的三站时差定轨方法。本发明提出了一种基于同步卫星二体模型的三站时差定轨方法。通过三个地面观测站接收到的卫星信号构成两组不同的时差信息,利用参数优化算法对轨道方程中的六个卫星轨道根数进行求解,把它们带入卫星轨道方程后得到卫星的实时位置,实现对同步轨道卫星的定轨解算。参数优化时需要进行时间积累,求解最小二乘解析解,这样能够解决地面接收站个数不足导致观测程度低的问题。
Description
技术领域
本发明属于电子对抗技术领域,涉及一种基于同步卫星二体模型的三站时差定轨方法。
背景技术
随着空间科学、计算机科学、以及通讯数据传输等技术的发展,人类对太空的探索不断取得新的进展。卫星定轨是卫星顺利完成在轨任务的前提与基础,研究卫星定轨技术一直都是航天领域的重要课题之一,获取其准确的轨道信息在同步卫星导航定位、卫星控制等众多方面具有重要的意义。而同步轨道卫星在高空中受太阳辐射等多种摄动力的影响,这使得单纯的二体运动无法准确的捕获卫星位置。
目前,卫星的定轨技术多是以测角型、测速测距型资料作为观测资料,基本都是有源定位的方式测得。有源定位要发射大功率的信号,但在电子战中容易暴露自己,从而遭到对方电子干扰或反辐射武器的打击。时差定位技术通过测量信号到达多个接收站之间的时间差,实现对辐射源进行定位跟踪,属于无源定位。多站情况下的时差定位技术由于可以获得较高的定位精度,同时对接收系统的要求较低,易于组网。但是目前利用时差定位技术进行测轨时,并没有考虑卫星运动过程,直接对卫星定位,会受到布站方式、基线长度和站址误差等多个因素的限制,所以定位精度并不理想。而且在只有三个地面接收站的情况下,利用时差信息定位属于欠定问题,观测程度低,即单纯依靠时差信息是无法解算出卫星的所在位置,也就没法对卫星进行定轨。所以在较低观测程度下的卫星无源定位技术仍值得研究。
发明内容
本发明的目的,就是针对上述问题,提出了一种基于同步卫星二体模型的三站时差定轨方法。通过三个地面观测站接收到的卫星信号构成两组不同的时差信息,利用参数优化算法对轨道方程中的六个卫星轨道根数进行求解,把它们带入卫星轨道方程后得到卫星的实时位置,实现对同步轨道卫星的定轨解算。参数优化时需要进行时间积累,求解最小二乘解析解,这样能够解决地面接收站个数不足导致观测程度低的问题。
为了便于理解,对本发明采用的技术做如下说明:
卫星运动及时差定位相关基本原理
A.根据卫星轨道动力学原理,给出由卫星的六个轨道根数表示的卫星二体运动轨道方程如下。
其中,
2)由下式计算出E0;
3)由下式迭代的计算出Ei,其中f(E)=E-esinE-M;
4)计算误差Δε=|Ei-Ei-1|。
判断误差Δε是否小于预先给定的允许误差ε,如果Δε≥ε则跳到3)继续迭代计算,如果Δε≤ε则算法结束,这时的Ei就是开普勒方程的解。
C.由于时差值仅为距离差值除以光速,为了方便,后面都用距离差方程代替时差方程。
距离差方程如下。
D.J2000.0惯性坐标系到ECEF地心地固坐标系的转换关系如下,
rE=WRNPrJ
其中,矩阵P,N,R,W分别为岁差修正矩阵、章动修正矩阵、地球自转角修正矩阵和极移修正矩阵。
1)岁差修正矩阵
P=RZ(-zA)RX(θA)RZ(-ζA)
国际地球自转服务组织1996年年会(IERS Conventions 1996)在其技术文档中给出了上述三个岁差角的计算公式:
T为从历元J2000.0起算的儒略世纪数。
2)章动修正矩阵
N=RX(-ε)RZ(-Δψ)RX(-εA)
εA为平黄赤交角,ε=εA+Δε为真黄赤交角,Δψ为黄经章动,Δε为黄赤交角章动。
其中σi=a1,il+a2,il′+a3,iF+a4,iD+a5,iΩ,
3)地球自转角修正矩阵
R=RZ(GAST)
格林尼治真恒星时GAST=GMST+Δψcosε
4)极移修正矩阵
设瞬时地极为P,它相对于国际协议原点CIO的偏移量,即极移量,在两个方向分别是xp,yp,它们都很小的量(最大值约为0″.3)计算时要化为弧度为单位。
注:
本发明的技术方案为:
S1、通过三个地面观测站测量到的卫星信号构成两组不同的距离差信息sc1(t),sc2(t)(与时差等价),设地面三个接收站坐标设置为s1=[x1,y1,z1]T,s2=[x2,y2,z2]T,s3=[x3,y3,z3]T,估计一组可用的卫星六个轨道根数初值;
设定时差值仅为距离差值除以光速,采用距离差方程代替时差方程,建立距离差方程为:
其中,在ECEF地心地固坐标系下,卫星位置设为rE=[x′,y′,z′]T;
对于同步轨道卫星而言,轨道长半轴相对固定,常预设为42166.2609km,后面对轨道根数的优化不用考虑它;同步轨道卫星轨道为近圆形,偏心率较小,设定为2×10-4。对其他各个轨道根数设置搜索范围和搜索间隔,把这些轨道根数带入卫星二体运动模型方程和时差方程中计算时差数据,使得该时差数据与接收时差信号数据误差的均方根最小的那组轨道根数被认为是搜索出来的最优值,如下式所示;
S2、利用牛顿法求解一组卫星轨道根数使得距离差模型产生的数据的与测量到的距离差数据误差最小。设定在一段时间内卫星轨道根数是不变的,则可以进行时间积累,此时解迭代方程就可以运用最小二乘法求解。建立牛顿法迭代公式为
其中,sc1(t),sc2(t)为测量到的距离差数据,视为常数;不同的t代表不同的时刻,sc1(t),sc2(t),也就都不相同;而则为迭代k次后得到的卫星轨道根数估计值;而等于步骤S1中求出的卫星轨道根数初值,即
下面为距离差方程关于轨道根数求导的相关方程:
由六个轨道根数表示的卫星二体运动模型方程是在J2000.0坐标系下的,而此处为卫星的ECEF坐标对六个轨道根数求导,所以需要进行坐标转换,
其中,
S3、对偏心率e进行修正:
现在把步骤S3中的牛顿法式1改为如下所示,
其中,即分别是该积累时间间隔内两个距离差数据与之对应的测量数据的误差值的均值。同样,等于步骤S2中求出的卫星轨道根数初值,即这里的实际为一个常数即Δek-1,仅仅是对偏心率e进行迭代求解;迭代求解过程和步骤S2中介绍的牛顿法相同。
S7、载入下个积累时段测量到的距离差信息sc′1(t),sc′2(t),重复上述步骤,直至结束定轨过程。
进行定位误差分析如下:
根据以上分析,采用基于同步卫星二体模型的三站时差定轨方法对地球表面目标辐射源进行定位时,系统定位精度的影响因素主要为时差测量噪声n12,n13。下面对存在时差测量噪声条件下定位解算误差的克拉美-罗下限(CRB)进行分析计算。系统的测量方程
具体表示如下:
因同步轨道卫星的轨道长半轴固定,系统测量方程仅需对五个轨道根数求导。所以取
求得同步轨道卫星的5个轨道根数的理论精度界为:
那么rJ0=(x0,y0,z0)T的CRB界应为:
本发明的有益效果为,能够解决时差定位中地面接收站个数不足导致观测程度低的问题。
附图说明
图1为同步轨道卫星定轨流程图;
图2为同步轨道卫星定轨解算的几何精度界CRB图;
图3为模拟某同步轨道卫星产生的时差信号时的卫星定轨误差图;
图4为利用STK软件产生噪声为0.1us的时差信号时的卫星定轨误差图;
图5为利用STK软件产生噪声为1us的时差信号时的卫星定轨误差图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例,对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例
本例中的设定为:
1、因为目标卫星为同步轨道卫星,轨道长半轴相对固定,基本在42164km-42166km之间,所以假设目标卫星轨道的长半轴为42166.2609km;
2、将工程实践中存在的卫星姿态测量等误差统一到时差误差中;
3、假定测量误差服从均值为零的高斯分布,且误差之间相互独立。
4、假设地面接收站固定在三亚,成都,嘉兴三个位置,它们对应的ECEF地心地固坐标为s1=(-1978.56,-650.52,6008.28),s2=(-1334,5326,3235)和s3=(-2792,4739,3218),单位为km。
同步轨道卫星定轨解算的几何精度界
如图2所示,使用某一同步轨道卫星的轨道根数数据,a=42166.2609km,e=1.9721×e-4,i=0.082669,Ω=1.37455,ω=5.30661,E0=2.76373(均为弧度制)。设置积累时长为3小时,时差噪声标准差变化范围为0.1us-1us。其中各图为该同步轨道卫星定轨算法在x,y,z轴上的CRB界图及距离()上的CRB界图。
由图2中可以看出,本文提出的定轨解算方法性能稳定,时差误差在1us时,距离上的CRB界能达到900m左右,而时差误差0.1us时的距离CRB界在100m左右,因同步轨道卫星距离地心大约42000km,所以定位精度在万分之一以内,说明该算法能很好的求解出卫星的实时位置,实现同步轨道卫星的定轨操作。
模拟某同步轨道卫星产生的时差信号时的卫星定轨效果
如图3所示,对12小时长时差数据进行定轨解算。设置积累时长为3小时,即对每3个小时的时差数据进行一次卫星定轨解算;时差噪声标准差设置为0.1us。其中各图为对该同步轨道卫星解算出的轨道数据与原轨道x,y,z轴上的误差图及距离()上的误差图,横坐标为时间,单位为s,纵坐标表示误差值,单位为km。
由图3中可以看出,本文提出的定轨解算方法在对自己模型产生出的时差数据进行解算时性能稳定,刚开始3小时的误差在150m左右,而稳定以后,距离上的误差仅在100m以内,说明该算法能很好的求解出卫星的实时位置,实现同步轨道卫星的定轨操作。
利用STK软件产生时差信号时的卫星定轨效果
STK是由美国Analytical Graphics公司开发的一款在航天领域处于领先地位的商业分析软件。利用该软件产生某一同步轨道卫星轨道数据,再用该数据产生观测的时差信号。如图4所示,对24小时长时差数据进行定轨解算。设置积累时长为3小时,即对每3个小时的时差数据进行一次卫星定轨解算;时差噪声标准差设置为0.1us。其中各图为对该同步轨道卫星解算出的轨道数据与原轨道x,y,z轴上的误差图及距离()上的误差图,横坐标为时间,单位为s,纵坐标表示误差值,单位为km。
由图4中可以看出,本文提出的定轨解算方法在对STK软件产生出的时差数据进行解算时性能也相对稳定,刚开始3小时的误差值较大,在1.2km左右,但是逐渐收敛到1km以下,距离上的误差在稳定以后在500m以内,说明该算法能在噪声强度不大的情况下很好的求解出卫星的实时位置,实现同步轨道卫星的定轨操作。
如图5所示,各条件设置与图4中相同,仅仅改变时差噪声标准差为1us。由图5可以看出,观测时差噪声达到1us时,稳定后的定轨误差变大,但依然保持在1km以下,和积累3小时的CRB界情况基本吻合,说明该算法基本能够达到各时差噪声强度所对应的解算CRB界,能够求解出卫星的实时位置并实现同步轨道卫星的定轨操作。
Claims (2)
其中,在J2000.0惯性坐标系下,卫星位置为rJ=[x,y,z],vJ为卫星速度,
六个轨道根数中,a为轨道半长轴、e为轨道椭圆偏心率、i为轨道倾角、Ω为升交点赤经、ω为近地点幅角、E0为真近点角,μ为地心引力常数,μ=3.986004418×1014m3/s;前五个轨道根数是固定常数,而第六个轨道根数真近点角E0满足开普勒方程只能通过求解开普勒方程才能得到,其中M为卫星的平近点角;
其特征在于,所述定轨方法包括以下步骤:
S1、设地面三个接收站坐标设置为s1=[x1,y1,z1],s2=[x2,y2,z2],s3=[x3,y3,z3],通过三个地面观测站测量到的卫星信号构成两组不同的与时差等价的距离差信息sc1(t),sc2(t),并预估一组可用的卫星六个轨道根数初值;
设定时差值仅为距离差值除以光速,采用距离差方程代替时差方程,建立距离差方程为:
其中,在ECEF地心地固坐标系下,卫星位置设为rE=[x′,y′,z′],n12,n13为距离差测量方程的噪声;
S2、采用牛顿法求解一组卫星轨道根数使得距离差模型产生的数据的与测量到的距离差数据误差最小;设定在一段时间内卫星轨道根数是不变的,进行时间积累,此时解迭代方程运用最小二乘法求解;建立牛顿法迭代公式为:
S3、对偏心率e进行修正:
把步骤S2中的牛顿迭代公式改为:
其中,即分别是该积累时间间隔内两个距离差数据与之对应的测量数据的误差值的均值,等于步骤S2中求出的卫星轨道根数初值,即该步骤中为一个常数即Δek-1,仅用于对偏心率e进行迭代求解;迭代求解过程同步骤S2;
S4、对i,Ω,ω,E0进行修正:
S7、载入下个积累时段测量到的距离差信息sc′1(t),sc′2(t),重复上述步骤,直至结束定轨过程。
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