CN112526561A - 延长地球静止轨道通信卫星两行星历预报时段方法 - Google Patents

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CN112526561A CN202011366657.1A CN202011366657A CN112526561A CN 112526561 A CN112526561 A CN 112526561A CN 202011366657 A CN202011366657 A CN 202011366657A CN 112526561 A CN112526561 A CN 112526561A
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Abstract

本公开提供一种延长地球静止轨道通信卫星两行星历预报时段方法，包括：获取地球静止轨道通信卫星的两行轨道数据，其中，两行轨道数据包括平均运动圈数及开普勒轨道参数；提取平均运动圈数和开普勒轨道参数；修正平均运动圈数，根据修正的平均运动圈数及开普勒轨道参数以修正地球静止轨道通信卫星的轨道参数；利用修正的地球静止轨道通信卫星的轨道参数计算地球静止轨道通信卫星的位置。该方法通过修正平均运动圈数以修正地球静止轨道通信卫星轨道参数，进而得到修正的地球静止轨道通信卫星轨道。通过上述方法提高了地球静止轨道通信卫星位置的计算精度，从而延长地球静止轨道通信卫星的预报时段。

Description

延长地球静止轨道通信卫星两行星历预报时段方法
技术领域
本公开涉及卫星通信领域，尤其是涉及一种延长地球静止轨道通信卫星两行星历预报时段方法。
背景技术
卫星频率和轨道资源是指卫星电台使用的频率和卫星所处的空间轨道位置，它随着卫星技术的发明而开始被人类开发利用，是所有卫星系统建立的前提和基础。地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星被广泛应用于通信、遥感、侦察和定位等业务，并在经济、军事等领域发挥着重要作用。为了避免共用区内相邻GEO通信卫星间的无线电频率干扰以及潜在的碰撞危险，国际电信联盟(International TelecommunicationUnion，ITU)对GEO通信卫星的定点要求为：卫星运动窗口控制在经度和纬度方向±0.1度以内，径向±50千米以内。考虑到卫星定点入轨误差和各种摄动作用，卫星相对于定点位置存在长期漂移的现象。为了确保卫星保持在运动窗口内，GEO卫星在轨工作期间必须进行定点位置保持。
描述卫星轨道状态和位置的参数称为卫星轨道参数，其在空间运行轨迹称为卫星轨道。卫星轨道可由6个开普勒轨道参数完全决定。实际上，卫星的广播星历中包括了这6个开普勒轨道参数及其摄动参数，我们可以通过这些广播星历数据计算出卫星的位置，并根据当前的卫星位置，通过星历扩展的方法预测未来更长时段的卫星位置。目前最常见的，用于描述卫星轨道参数的星历格式是由美国北美防空联合司令部(North AmericanAerospace Defense Command，NORAD)开发的两行轨道数据(Two-Line Orbital Element，TLE)。
GEO通信卫星目前也是使用TLE的两行星历数据对卫星位置进行预报，其星历数据一般每周更新两到三次，因为星历数据的精度会影响到计算结果的精度，进而影响到根据其计算结果推算出的预报时段内的卫星位置的精度。由于随着时间的推移，对卫星位置的预报误差会越来越大。因此，在保障星历数据精度的前提下，延长预报时段是工程技术中需要重点关注的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对以上技术问题，本公开的主要目的在于提供一种延长GEO通信卫星两行星历预报时段的方法，用于解决上述技术问题的至少之一。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本公开提供了一种延长GEO通信卫星两行星历预报时段方法，包括：获取GEO通信卫星的TLE数据，其中，TLE数据包括平均运动圈数及开普勒轨道参数；提取平均运动圈数和开普勒轨道参数；修正平均运动圈数，根据修正的平均运动圈数及所述开普勒轨道参数以修正GEO通信卫星的轨道参数；利用修正的GEO通信卫星的轨道参数计算GEO通信卫星的位置。
可选地，上述提取平均运动圈数和开普勒轨道参数，包括：
轨道周期T满足：
T＝86400/N
其中，N为平均运动圈数。
可选地，上述修正平均运动圈数，包括：修正平均运动圈数为1.00273896。
可选地，上述根据修正的平均运动圈数及开普勒轨道参数以修正GEO通信卫星的轨道参数，包括根据修正的平均运动圈数以修正轨道半长轴a、平近点角M、偏近点角E和真近点角f。
可选地，轨道半长轴a、平近点角M、偏近点角E和真近点角f满足如下关系：
在时刻t的轨道半长轴a满足：
Figure BDA0002804201220000021
在时刻t的平近点角M满足：
Figure BDA0002804201220000022
以及，偏近点角E和平近点角M满足：
E＝M+e sin E，
真近点角f和偏近点角E满足：
Figure BDA0002804201220000031
其中，T＝86400/N，N为平均运动圈数，μ为万有引力常数μ＝3.986005×1014m3.s-2；M0为轨道历元时刻的平近点角，t0e为轨道历元时刻，e为轨道偏心率，其中，轨道历元时刻的平近点角M0、轨道历元时刻t0e、轨道偏心率e从TLE数据中直接提取。
可选地，上述利用修正的GEO通信卫星轨道参数计算GEO通信卫星的位置，包括：
在时刻t满足时，GEO通信卫星在地球坐标系下的三维坐标为：
Figure BDA0002804201220000032
其中，
Figure BDA0002804201220000033
为GEO通信卫星在地球坐标系下的三维坐标，
Figure BDA0002804201220000034
为地心惯性坐标系下的坐标，GAST为t时刻的格林尼治恒星时，R3(GAST)为三维坐标旋转矩阵，
Figure BDA0002804201220000035
为转换矩阵，r为GEO通信卫星到地心的距离，f为真近点角。
可选地，距离r满足：
r＝a(1-e coS E)，
其中，a为轨道半长轴，在时刻t的轨道半长轴a满足：
Figure BDA0002804201220000036
E为偏近点角，偏近点角E和平近点角M满足：
E＝N+e sin E，
在时刻t的平近点角M满足：
Figure BDA0002804201220000037
真近点角f和偏近点角E满足：
Figure BDA0002804201220000038
其中，T＝86400/N，N为平均运动圈数，μ为万有引力常数μ＝3.986005×1014m3·s-2；M0为轨道历元时刻的平近点角，t0e为轨道历元时刻，e为轨道偏心率，其中，轨道历元时刻的平近点角M0、轨道历元时刻t0e、轨道偏心率e从TLE数据中直接提取。
可选地，转换矩阵
Figure BDA0002804201220000041
满足：
Figure BDA0002804201220000042
其中，R3(-Ω)、R3(-ω)、R1(-i)为三维坐标旋转转换矩阵，R3(-Ω)、R3(-ω)和R1(-i)满足：
Figure BDA0002804201220000043
Figure BDA0002804201220000044
其中，ω为近地点角距，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，近地点角距ω、轨道倾角i、升交点赤经Ω从TLE数据中直接提取。
可选地，R3(GAST)为三维坐标旋转矩阵，其满足：
Figure BDA0002804201220000045
(三)有益效果
本公开提出的一种延长GEO通信卫星两行星历预报时段方法，通过修正平均运动圈数以修正GEO通信卫星轨道参数，进而得到修正的GEO通信卫星轨道。通过上述方法提高了GEO通信卫星位置的计算精度，从而延长GEO通信卫星的预报时段。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例提出的延长GEO通信卫星两行星历预报时段方法的流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体细节，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
以上的实施例仅仅是对本公开的优选实施方式进行描述，并非对本公开的范围进行限定，在不脱离本公开设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本公开的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本公开权利要求书确定的保护范围内。
正如背景技术所介绍的，GEO通信卫星目前也是使用TLE的两行星历数据对卫星位置进行预报，其星历数据一般每周更新两到三次，星历数据的精度会影响到计算结果的精度，进而影响到根据其计算结果推算出的预报时段内的卫星位置的精度。由于随着时间的推移，对卫星位置的预报误差会越来越大。基于此，本公开提出了一种延长GEO通信卫星两行星历预报时段方法。
图1示意性示出了本公开实施例提出的延长GEO通信卫星两行星历预报时段方法的流程图。如图1所示，本公开提出的一种延长GEO通信卫星两行星历预报时段方法，该方法包括：
S1，获取GEO通信卫星的TLE数据，其中，TLE数据包括平均运动圈数及开普勒轨道参数。
具体地，从互联网(http://www.celestrak.com)下载获取GEO通信卫星的TLE数据，其中该TLE数据包括平均运动圈数和开普勒轨道参数。
S2，提取平均运动圈数和开普勒轨道参数。
具体地，获取TLE数据后，从上述TLE数据第二行第53-63列中提取平均运动圈数，从第二行第44-51列提取轨道历元时刻的平近点角，从第一行第19-32列提取轨道历元时刻，从第二行第27-33列中提取轨道偏心率，从第二行9-16列提取轨道倾角，从第二行18-25列提取升交点赤经，从第二行35-42列提取近地点角距。
S3，修正平均运动圈数，根据修正的平均运动圈数及开普勒轨道参数以修正GEO通信卫星轨道参数。
具体地，对上述从TLE两行星历数据第二行第53-63列中提取的平均运动圈数进行修正，利用修正后的平均运动圈数及上述从TLE数据中提取的开普勒轨道参数修正GEO通信卫星轨道参数。
S4，利用上述修正的GEO通信卫星轨道参数计算GEO通信卫星的位置。
具体地，根据上述修正的GEO通信卫星轨道参数以及上述从TLE数据中提取的轨道历元时刻的平近点角、轨道历元时刻、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角距等参数计算GEO通信卫星的位置。
在本实施例中，本公开提供的一种延长GEO通信卫星两行星历预报时段方法，通过修正平均运动圈数以修正GEO通信卫星轨道参数，进而得到修正的GEO通信卫星轨道。通过上述方法提高了GEO通信卫星位置的计算精度，从而延长GEO通信卫星的预报时段。
在本公开的一个实施例中，在上述操作S2中，提取平均运动圈数和开普勒轨道参数，包括：
轨道周期T满足：
T＝86400/N (1)
式(1)中，N为平均运动圈数。
从TLE数据第二行第53-63列中提取平均运动圈数N后，可以通过上述公式(1)计算得到修正前的轨道周期T，并根据修正前的轨道周期T计算修正前的GEO通信卫星的轨道参数，进而得到修正前的GEO通信卫星位置。
在本公开的一个实施例中，在上述操作S3中，修正平均运动圈数，包括：修正平均运动圈数为1.00273896。
具体地，平均运动圈数N是指在一个太阳日(24小时)内，卫星在它轨道上绕了多少圈，显而易见，平均运动圈数与实际运动圈数之间是存在误差的。
在该步骤中，由于GEO通信卫星为地球同步轨道卫星，其运转周期为固定的23小时56分4秒(86164秒)，因此，计算得出：
Figure BDA0002804201220000061
显然，上述计算得到的平均运动圈数N的数值要比从TLE数据第二行第53-63列中直接提取的值更接近实际运动圈数的值。由此可知，相对于修正前的GEO通信卫星的位置，基于该修正的平均运动圈数得到的修正的GEO通信卫星的轨道参数来推算得到的GEO通信卫星位置会更准确，即通过修正平均运动圈数以修正GEO通信卫星的轨道参数，进而得到修正的GEO通信卫星轨道。通过上述方法提高了GEO通信卫星位置的计算精度，从而延长GEO通信卫星的预报时段。
在本公开的一个实施例中，在上述操作S3中，修正上述平均运动圈数，根据修正的平均运动圈数及开普勒轨道参数以修正上述GEO通信卫星的轨道参数，包括根据修正的平均运动圈数以修正轨道半长轴a、平近点角M、偏近点角E和真近点角f。
进一步地，在本公开的一个实施例中，轨道半长轴a、平近点角M、偏近点角E和真近点角f满足如下条件：
在时刻t的轨道半长轴a满足：
Figure BDA0002804201220000071
在时刻t的平近点角M满足：
Figure BDA0002804201220000072
以及，偏近点角E和平近点角M满足：
E＝M+e sin E (4)
真近点角f和偏近点角E满足：
Figure BDA0002804201220000073
其中，T＝86400/N，N为平均运动圈数，μ为万有引力常数μ＝3.986005×1014m3·s-2；M0为轨道历元时刻的平近点角，t0e为轨道历元时刻，e为轨道偏心率，其中，轨道历元时刻的平近点角M0、轨道历元时刻t0e、轨道偏心率e从TLE数据中直接提取。
通常情况下，开普勒轨道参数包括轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经Ω、近地点角距ω和平近点角M共6个参数，其中，轨道偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经Ω、近地点角距ω和轨道历元时刻的平近点角M0可以从TLE数据中直接提取。进一步地，t时刻的平近点角M可以由轨道历元时刻的平近点角M0得到。而卫星轨道由这6个开普勒轨道参数决定，换言之，通过确定这6个开普勒轨道参数就可以确定卫星轨道。
由上述内容可知，修正了平均运动圈数N后，可以得到修正的轨道半长轴a和平近点角M，进而计算偏近点角E，最终得到真近点角f，通过确定上述卫星轨道参数，进而确定卫星的位置。
具体地，当卫星接收机在接收到卫星TLE数据后，将已知的平均运动圈数N的值修正为1.00273896，结合上述从TLE数据中直接提取的参数，根据上述计算公式(1)～(5)即可获取修正后的轨道半长轴a、平近点角M、偏近点角E、真近点角f等轨道参数，进而推算出修正后的GEO通信卫星位置。
由于修正的平均运动圈数N比修正前的值更接近实际值，因此，通过修正平均运动圈数N，得到修正的卫星轨道参数也更接近实际轨道参数，进而其确定的卫星轨道位置也更精确。
在本公开的一个实施例中，在上述操作S4中，利用修正的GEO通信卫星轨道参数计算得到GEO通信卫星的位置，包括：
在时刻t满足时，GEO通信卫星在地球坐标系下的三维坐标为：
Figure BDA0002804201220000081
其中，
Figure BDA0002804201220000082
为GEO通信卫星在地球坐标系下的三维坐标，
Figure BDA0002804201220000083
为地心惯性坐标系下的坐标，GAST为t时刻的格林尼治恒星时，R3(GAST)为三维坐标旋转矩阵，
Figure BDA0002804201220000084
为转换矩阵，r为GEO通信卫星到地心的距离，f为真近点角。
进一步地，GEO通信卫星到地心的距离r满足：
r＝a(1-e cos E) (7)
其中，a为轨道半长轴，在时刻t的轨道半长轴a满足：
Figure BDA0002804201220000085
E为偏近点角，偏近点角E和平近点角M满足：E＝M+e sin E，
在时刻t的平近点角M满足：
Figure BDA0002804201220000086
真近点角f和偏近点角E满足：
Figure BDA0002804201220000091
其中，T＝86400/N，N为平均运动圈数，μ为万有引力常数μ＝3.986005×1014m3·s-2；M0为轨道历元时刻的平近点角，t0e为轨道历元时刻，e为轨道偏心率，其中，轨道历元时刻的平近点角M0、轨道历元时刻t0e、轨道偏心率e从TLE数据中直接提取。
进一步地，转换矩阵
Figure BDA0002804201220000092
满足：
Figure BDA0002804201220000093
其中，R3(-Ω)、R3(-ω)、R1(-i)为三维坐标旋转转换矩阵，R3(-Ω)、R3(-ω)和R1(-i)满足：
Figure BDA0002804201220000094
Figure BDA0002804201220000095
其中，ω为近地点角距，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，近地点角距ω、轨道倾角i、升交点赤经Ω从TLE数据中直接提取。
进一步地，R3(GAST)为三维坐标旋转矩阵，其满足：
Figure BDA0002804201220000096
由上述内容可知，在本公开实施例中，基于修正的平均运动圈数N的值(N＝1.00273896)，并结合根据从TLE数据中直接提取的参数可以获得修正的卫星轨道参数：修正的轨道半长轴a、平近点角M、偏近点角E以及真近点角f，然后基于公式(1)～(10)计算得到GEO通信卫星在地球坐标系下的三维坐标，即GEO通信卫星的轨道位置。
在本公开实施例中，由于修正的平均运动圈数比修正前的值更接近实际值，因此，通过修正平均运动圈数N，得到修正的卫星轨道参数，进而修正了GEO卫星的轨道位置。通过上述方法提高了GEO通信卫星位置的计算精度，从而延长GEO通信卫星的预报时段。
在此需要说明的是，本公开上述分析均是在理想条件下进行，即卫星只受到理想地球中心力的作用，不存在其他摄动力的影响，同时略去地球的地极移动等影响。
综上所述，本公开提出的一种延长GEO通信卫星两行星历预报时段方法，通过修正平均运动圈数以修正GEO通信卫星轨道参数，进而得到修正的GEO通信卫星轨道。通过上述方法提高了GEO通信卫星位置的计算精度，从而延长GEO通信卫星的预报时段。

Claims (9)

1.一种延长地球静止轨道通信卫星两行星历预报时段方法，其特征在于，包括：
获取地球静止轨道通信卫星的两行轨道数据，其中，所述两行轨道数据包括平均运动圈数及开普勒轨道参数；
提取所述平均运动圈数和所述开普勒轨道参数；
修正所述平均运动圈数，根据修正的平均运动圈数及所述开普勒轨道参数以修正所述地球静止轨道通信卫星的轨道参数；
利用修正的地球静止轨道通信卫星的轨道参数计算所述地球静止轨道通信卫星的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取所述平均运动圈数和开普勒轨道参数，包括：
轨道周期T满足：
T＝86400/N
其中，N为所述平均运动圈数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正所述平均运动圈数，包括：修正所述平均运动圈数为1.00273896。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据修正的平均运动圈数及所述开普勒轨道参数以修正所述地球静止轨道通信卫星的轨道参数，包括：根据修正的平均运动圈数以修正轨道半长轴a、平近点角M、偏近点角E和真近点角f。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述轨道半长轴a、平近点角M、偏近点角E和真近点角f满足如下关系：
在时刻t的轨道半长轴a满足：
Figure FDA0002804201210000011
在时刻t的平近点角M满足：
Figure FDA0002804201210000012
以及，所述偏近点角E和所述平近点角M满足：
E＝M+e sin E，
所述真近点角f和所述偏近点角E满足：
Figure FDA0002804201210000021
其中，T＝86400/N，N为所述平均运动圈数，μ为万有引力常数μ＝3.986005×1014m3·s-2；M0为轨道历元时刻的平近点角，t0e为轨道历元时刻，e为轨道偏心率，其中，所述轨道历元时刻的平近点角M0、轨道历元时刻t0e、轨道偏心率e从所述两行轨道数据中直接提取。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用修正的地球静止轨道通信卫星的轨道参数计算所述地球静止轨道通信卫星的位置，包括：
在时刻t满足时，所述地球静止轨道通信卫星在地球坐标系下的三维坐标为：
Figure FDA0002804201210000022
其中，
Figure FDA0002804201210000023
为所述地球静止轨道通信卫星在地球坐标系下的三维坐标，
Figure FDA0002804201210000024
为地心惯性坐标系下的坐标，GAST为t时刻的格林尼治恒星时，R3(GAST)为三维坐标旋转矩阵，
Figure FDA0002804201210000025
为转换矩阵，r为所述地球静止轨道通信卫星到地心的距离，f为真近点角。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述距离r满足：
r＝a(1-e cos E)，
其中，a为轨道半长轴，在时刻t的轨道半长轴a满足：
Figure FDA0002804201210000026
E为偏近点角，所述偏近点角E和平近点角M满足：
E＝M+e sin E，
在时刻t的平近点角M满足：
Figure FDA0002804201210000027
所述真近点角f和所述偏近点角E满足：
Figure FDA0002804201210000031
其中，T＝86400/N，N为所述平均运动圈数，μ为万有引力常数μ＝3.986005×1014m3·s-2；M0为轨道历元时刻的平近点角，t0e为轨道历元时刻，e为轨道偏心率，其中，所述轨道历元时刻的平近点角M0、轨道历元时刻t0e、轨道偏心率e从所述两行轨道数据中直接提取。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述转换矩阵
Figure FDA0002804201210000032
满足：
Figure FDA0002804201210000033
其中，R3(-Ω)、R3(-ω)、R1(-i)为三维坐标旋转转换矩阵，所述R3(-Ω)、R3(-ω)和R1(-i)满足：
Figure FDA0002804201210000034
Figure FDA0002804201210000035
其中，ω为近地点角距，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，所述近地点角距ω、轨道倾角i、升交点赤经Ω从所述两行轨道数据中直接提取。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，R3(GAST)为三维坐标旋转矩阵，其满足：
Figure FDA0002804201210000036
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