CN112327333B - 一种卫星位置计算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种卫星位置计算方法及装置，涉及卫星定位技术领域，能够解决目前的卫星位置计算方法难以满足星载自主导航定位技术的问题。具体技术方案为：获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律；根据卫星轨道参数的变化规律得到与卫星轨道参数对应的拟合函数，拟合函数中包括至少一个待拟合变量；根据卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数；根据不同时间下的卫星轨道参数，得到不同时间下卫星的位置。本发明用于计算卫星位置。

Description

一种卫星位置计算方法及装置
技术领域
本公开涉及卫星定位技术领域，尤其涉及一种卫星位置计算方法及装置。
背景技术
星载敏感器、导航、姿轨控等模块需要卫星的高精度实时位置数据才能正常工作，由于星载计算机能力的限制，星上轨道预报只能采用简化的解析模型进行计算，预报精度不能保证。我国星上轨道预报目前大都采用仅考虑地球非引力场主要带谐项和大气摄动主要长期项的拟平均根数法，星历外推精度受到了很大限制。即使有地面测控设备频繁注入轨道数据，且仍难以满足卫星平台未来高精度轨道应用的要求。
发明内容
本公开实施例提供一种卫星位置计算方法及装置，能够解决目前的卫星位置计算方法难以满足星载自主导航定位技术的问题。所述技术方案如下：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种卫星计算方法，该方法包括：获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律；根据所述卫星轨道参数的变化规律得到与所述卫星轨道参数对应的拟合函数，所述拟合函数中包括至少一个待拟合变量；根据所述卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算所述拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数；根据所述不同时间下的卫星轨道参数，得到不同时间下卫星的位置。
本公开提供的卫星位置计算方法通过获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律，根据卫星轨道参数的变化规律得到与卫星轨道参数对应的拟合函数，然后根据卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数，进而得到不同时间下卫星的位置，本公开提供的卫星位置计算方法，计算模型简单，计算资源占用率较小，且计算精度能够满足星上自主导航对星历计算的需求。
在一个实施例中，所述卫星轨道参数包括：半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经和相位。
在一个实施例中，所述获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律，包括：获取预设时间段内根据动力学模型计算得到的至少一个卫星轨道参数的变化规律。
在一个实施例中，当所述卫星轨道参数为半长轴时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中A为所述半长轴，A0、A1和A2分别为所述半长轴拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为长轴偏心率时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中ex为所述长轴偏心率，ex0、ex1、ex2、ex3和ex4分别为所述长轴偏心率拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为短轴偏心率时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中ey为所述短轴偏心率，ey0、ey1、ey2、ey3和ey4分别为所述短轴偏心率拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为轨道倾角时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中i为所述轨道倾角，i0、i1、i2、i3和i4分别为所述轨道倾角拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为升交点赤经时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中Ω为所述升交点赤经，Ω0、Ω1、Ω2和Ω3分别为所述升交点赤经拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为相位时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中λ为所述相位，λ0、λ1、λ2和λ3分别为所述相位拟合函数中的待拟合变量。
在一个实施例中，所述根据所述卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算所述拟合函数中的待拟合变量，包括：根据预设原则设置所述拟合函数中的待拟合变量的初值，得到第一函数；将所述卫星轨道参数的变化规律中的多个时间数值和多个时间数值对应的多个卫星轨道参数的数值代入所述拟合函数中，得到多个递推函数；根据所述第一函数和所述多个递推函数计算所述拟合函数中的待拟合变量。
在一个实施例中，所述根据所述第一函数和所述多个递推函数计算所述拟合函数中的待拟合变量，包括：
将第一递推函数与所述第一函数做差，得到关于所述待拟合变量的第一差值数组，利用所述第一差值数组修正所述待拟合变量的初值，得到第一待拟合变量，并将所述第一待拟合变量带入所述拟合函数中，得到第二函数，将所述第二递推函数与所述第二函数做差，并重复上述过程，直至第n差值数组中的任一数值不再变化或所述第n差值数组中的任一数值与0的差值小于预设阈值，则所述第n差值数组对应的第n待拟合变量即为所述拟合函数中的待拟合变量。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种卫星计算装置，该装置包括：获取模块，用于获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律；
计算模块，用于根据所述卫星轨道参数的变化规律得到与所述卫星轨道参数对应的拟合函数，所述拟合函数中包括至少一个待拟合变量；根据所述卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算所述拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数；根据所述不同时间下的卫星轨道参数，得到不同时间下卫星的位置。
在一个实施例中，所述卫星轨道参数包括：半长轴、长轴偏心率、短轴偏心率、轨道倾角、升交点赤经和相位。
在一个实施例中，所述获取模块还用于：获取预设时间段内根据动力学模型计算得到的至少一个卫星轨道参数的变化规律。
在一个实施例中，所述计算模块还用于：根据预设原则设置所述拟合函数中的待拟合变量的初值，得到第一函数；将所述卫星轨道参数的变化规律中的多个时间数值和多个时间数值对应的多个卫星轨道参数的数值代入所述拟合函数中，得到多个递推函数；根据所述第一函数和所述多个递推函数计算所述拟合函数中的待拟合变量。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本公开实施例提供的一种卫星位置计算方法的流程图；
图2是本公开实施例提供的一种卫星轨道参数半长轴的变化趋势图；
图3是本公开实施例提供的一种卫星轨道参数长轴偏心率和短轴偏心率的变化趋势图；
图4是本公开实施例提供的一种卫星轨道参数轨道倾角的变化趋势图；
图5是本公开实施例提供的一种卫星轨道参数升交点赤经的变化趋势图；
图6是本公开实施例提供的一种卫星轨道参数相位扣除轨道角速度后的变化趋势图；
图7是本公开实施例提供的一种卫星轨道参数位置误差趋势图；
图8是本公开实施例提供的一种卫星轨道参数速度误差趋势图；
图9是本公开实施例提供的一种卫星位置计算装置的结构图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的系统和方法的例子。
本公开实施例提供一种卫星位置计算方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
101、获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律。
其中，卫星轨道参数包括：半长轴、长轴偏心率、短轴偏心率、轨道倾角、升交点赤经和相位；获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律，包括：获取预设时间段内根据动力学模型计算得到的至少一个卫星轨道参数的变化规律。
102、根据卫星轨道参数的变化规律得到与卫星轨道参数对应的拟合函数。
其中，拟合函数中包括至少一个待拟合变量。
示例的，当卫星轨道参数为半长轴时，与卫星轨道参数对应的拟合函数为：
其中A为半长轴，A0、A1和A2分别为半长轴拟合函数中的待拟合变量。
当卫星轨道参数为偏心率时，与卫星轨道参数对应的拟合函数为：
其中ex为所述长轴偏心率，ex0、ex1、ex2、ex3和ex4分别为所述长轴偏心率拟合函数中的待拟合变量；
当卫星轨道参数为短轴偏心率时，与卫星轨道参数对应的拟合函数为：
其中ey为所述短轴偏心率，ey0、ey1、ey2、ey3和ey4分别为所述短轴偏心率拟合函数中的待拟合变量；
当卫星轨道参数为轨道倾角时，与卫星轨道参数对应的拟合函数为：
其中i为轨道倾角，i0、i1、i2、i3和i4分别为轨道倾角拟合函数中的待拟合变量；
当卫星轨道参数为升交点赤经时，与卫星轨道参数对应的拟合函数为：
其中Ω为升交点赤经，Ω0、Ω1、Ω2和Ω3分别为升交点赤经拟合函数中的待拟合变量；
当卫星轨道参数为相位时，与卫星轨道参数对应的拟合函数为：
其中λ为相位，λ0、λ1、λ2和λ3分别为相位拟合函数中的待拟合变量。
103、根据卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数。
其中，根据卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算拟合函数中的待拟合变量，包括：
根据预设原则设置拟合函数中的待拟合变量的初值，得到第一函数；将卫星轨道参数的变化规律中的多个时间数值和多个时间数值对应的多个卫星轨道参数的数值代入拟合函数中，得到多个递推函数；根据第一函数和多个递推函数计算拟合函数中的待拟合变量。
根据第一函数和多个递推函数计算拟合函数中的待拟合变量，包括：
将第一递推函数与第一函数做差，得到关于待拟合变量的第一差值数组，利用第一差值数组修正待拟合变量的初值，得到第一待拟合变量，并将第一待拟合变量带入拟合函数中，得到第二函数，将第二递推函数与第二函数做差，并重复上述过程，直至第n差值数组中的任一数值不再变化或第n差值数组中的任一数值与0的差值小于预设阈值，则第n差值数组对应的第n待拟合变量即为拟合函数中的待拟合变量。
在实际应用中，设拟合的卫星轨道参数为x(A，e，i，Ω，λ中的一个)，待拟合变量为x0到xn(n-1为各个卫星轨道参数对应的待拟合变量的个数)。
根据牛顿迭代法进行拟合，x0到xn的初值按照如下原则设置：对于A，ex和i，x0取为其预报区间的平均值，Ω和λ中的时间线性项(Ω3和λ3)取为预报区间的平均斜率，Ω0和λ0取为初始时刻的对应值，其它参数初值取为0。
利用不同时间共m组x的卫星轨道参数的变化规律中的数据，以及使用x0到xn的初值按照式(1)～式(6)递推的结果，可得一组两者之间的误差数组Δx(t)，t＝t1，t2…tm。
由于x0到xn初值和真值较为接近，对x进行一阶展开可得Δx0至Δxn和Δx的关系如下：
对所有时刻列写式(7)并联立，得：
则根据最小二乘法，可得待拟合参数真值相对初始值得修正量应为：
用式(9)的结果更新x0到xn的值
式(7)中(A，ex，ey，i，Ω，λ)对待拟合参数的偏导数分别为：
用式(10)计算的结果重新递推式(1)到式(6)，计算新的Δx并带入式(10)计算再用新的/>继续递推式(1)到式(6)，重复这个过程直到/>接近0或不再变化为止，此时即获得了使递推误差最小化的拟合参数/>得到各个卫星轨道的拟合函数，进而得到了不同时间下的卫星轨道参数。
104、根据不同时间下的卫星轨道参数，得到不同时间下卫星的位置。
根据不同时间下各个卫星轨道参数，就可以定位卫星的位置。
本公开提供的卫星位置计算方法通过获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律，根据卫星轨道参数的变化规律得到与卫星轨道参数对应的拟合函数，然后根据卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数，进而得到不同时间下卫星的位置，本公开提供的卫星位置计算方法，计算模型简单，计算资源占用率较小，且计算精度能够满足星上自主导航对星历计算的需求。
本公开还提供了一种卫星位置计算方法的具体实施例，其具体实施方法如下所示：
取初始轨道瞬时参数为[7130km，0，98度，0度，0度，360度]；
将初始轨道瞬时参数用精确动力学模型外推计算一天的星历，其具体的各个卫星轨道参数变化趋势如图2～图6所示，设置拟合函数如式(1)～(6)。
按照预定原则设置初值，分别利用精确外推一天的不同时间点的星历数据和式(1)～(6)递推的结果作差，得到Δx，代入式(9)，用式(9)的结果代入(10)更新初值。
重复式(9)和式(10)相互迭代的过程直到式(9)的值接近为0，得到拟合的卫星轨道参数表达式为：
A＝7120.9667-9.07866sin(2πt/T+4.72)；
ex＝-4.697e-04-7.444e-4sin(6πt/T+4.72)+2.937e-4sin(2πt/T+4.72)；
ey＝2.22e-5+7.435e-4sin(6πt/T)-9.328e-4sin(2πt/T)；
i＝98.00724+0.00521sin(4πt/T-1.584)+0.00163sin(2πt/43200-0.721)；
Ω＝0.00117-0.00522sin(4πt/T)+1.08932e-05t；
λ＝-0.05393sin(2πt/T+0.0477)+4.721e-07t-0.00579sin(2πt/43200-0.6176)。
对比高精度外推和拟合根数转换出的位置、速度误差为如图7和图8所示，可见位置误差基本在1km以内，但个别时刻误差略大于1km。误差来源主要是λ的拟合误差(切向相位误差)稍大，若增加λ的短周期项个数，如增加半天项和半周期项，则精度会进一步提高。本申请提供的计算方法和平根数外推法基本等价，但地面计算量更大而本申请的计算量更小。
本公开实施例提供一种卫星位置计算装置，如图9所示，该装置包括：
获取模块901，用于获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律；
计算模块902，用于根据卫星轨道参数的变化规律得到与卫星轨道参数对应的拟合函数，拟合函数中包括至少一个待拟合变量；根据卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数；根据不同时间下的卫星轨道参数，得到不同时间下卫星的位置。
在一个实施例中，卫星轨道参数包括：半长轴、长轴偏心率、短轴偏心率、轨道倾角、升交点赤经和相位。
在一个实施例中，获取模块901还用于：获取预设时间段内根据动力学模型计算得到的至少一个卫星轨道参数的变化规律。
在一个实施例中，计算模块902还用于：根据预设原则设置拟合函数中的待拟合变量的初值，得到第一函数；将卫星轨道参数的变化规律中的多个时间数值和多个时间数值对应的多个卫星轨道参数的数值代入拟合函数中，得到多个递推函数；根据第一函数和多个递推函数计算拟合函数中的待拟合变量。
本公开提供的卫星位置计算装置通过获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律，根据卫星轨道参数的变化规律得到与卫星轨道参数对应的拟合函数，然后根据卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数，进而得到不同时间下卫星的位置，本公开提供的卫星位置计算装置，计算资源占用率较小，且计算精度能够满足星上自主导航对星历计算的需求。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种卫星位置计算方法，其特征在于，所述方法包括：
获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律；
根据所述卫星轨道参数的变化规律得到与所述卫星轨道参数对应的拟合函数，所述拟合函数中包括至少一个待拟合变量；
根据所述卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算所述拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数；
根据所述不同时间下的卫星轨道参数，得到不同时间下卫星的位置；
所述根据所述卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算所述拟合函数中的待拟合变量，包括：根据预设原则设置所述拟合函数中的待拟合变量的初值，得到第一函数；将所述卫星轨道参数的变化规律中的多个时间数值和多个时间数值对应的多个卫星轨道参数的数值代入所述拟合函数中，得到多个递推函数；根据所述第一函数和所述多个递推函数计算所述拟合函数中的待拟合变量；
所述根据所述第一函数和所述多个递推函数计算所述拟合函数中的待拟合变量，包括：将第一递推函数与所述第一函数做差，得到关于所述待拟合变量的第一差值数组，利用所述第一差值数组修正所述待拟合变量的初值，得到第一待拟合变量，并将所述第一待拟合变量带入所述拟合函数中，得到第二函数，将第二递推函数与所述第二函数做差，并重复上述过程，直至第n差值数组中的任一数值不再变化或所述第n差值数组中的任一数值与0的差值小于预设阈值，则所述第n差值数组对应的第n待拟合变量即为所述拟合函数中的待拟合变量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星轨道参数包括：半长轴、长轴偏心率、短轴偏心率、轨道倾角、升交点赤经和相位。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律，包括：
获取预设时间段内根据动力学模型计算得到的至少一个卫星轨道参数的变化规律。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述卫星轨道参数为半长轴时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中A为所述半长轴，A0、A1和A2分别为所述半长轴拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为长轴偏心率时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中ex为所述长轴偏心率，ex0、ex1、ex2、ex3和ex4分别为所述长轴偏心率拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为短轴偏心率时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中ey为所述短轴偏心率，ey0、ey1、ey2、ey3和ey4分别为所述短轴偏心率拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为轨道倾角时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中i为所述轨道倾角，i0、i1、i2、i3和i4分别为所述轨道倾角拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为升交点赤经时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中Ω为所述升交点赤经，Ω0、Ω1、Ω2和Ω3分别为所述升交点赤经拟合函数中的待拟合变量；
当所述卫星轨道参数为相位时，所述与所述卫星轨道参数对应的拟合函数为：其中λ为所述相位，λ0、λ1、λ2和λ3分别为所述相位拟合函数中的待拟合变量。
5.一种卫星位置计算装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取预设时间段内至少一个卫星轨道参数的变化规律；
计算模块，用于根据所述卫星轨道参数的变化规律得到与所述卫星轨道参数对应的拟合函数，所述拟合函数中包括至少一个待拟合变量；根据所述卫星轨道参数的变化规律和预设的待拟合变量初值计算所述拟合函数中的待拟合变量，得到不同时间下的卫星轨道参数；根据所述不同时间下的卫星轨道参数，得到不同时间下卫星的位置；
所述计算模块还用于：根据预设原则设置所述拟合函数中的待拟合变量的初值，得到第一函数；将所述卫星轨道参数的变化规律中的多个时间数值和多个时间数值对应的多个卫星轨道参数的数值代入所述拟合函数中，得到多个递推函数；根据所述第一函数和所述多个递推函数计算所述拟合函数中的待拟合变量；
所述计算模块还用于：将第一递推函数与所述第一函数做差，得到关于所述待拟合变量的第一差值数组，利用所述第一差值数组修正所述待拟合变量的初值，得到第一待拟合变量，并将所述第一待拟合变量带入所述拟合函数中，得到第二函数，将第二递推函数与所述第二函数做差，并重复上述过程，直至第n差值数组中的任一数值不再变化或所述第n差值数组中的任一数值与0的差值小于预设阈值，则所述第n差值数组对应的第n待拟合变量即为所述拟合函数中的待拟合变量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述卫星轨道参数包括：半长轴、长轴偏心率、短轴偏心率、轨道倾角、升交点赤经和相位。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述获取模块还用于：
获取预设时间段内根据动力学模型计算得到的至少一个卫星轨道参数的变化规律。
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