CN113536197A - 一种卫星轨道机动时段的探测方法及系统 - Google Patents

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卢晓春
洪菊
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张世旋
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张鹏飞
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Abstract

本发明涉及一种卫星轨道机动时段的探测方法及系统。所述方法包括：在广播星历中获取目标卫星的探测平方根序列和健康状态标识序列；计算所述探测平方根序列中所有相邻历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到探测差序列；根据所述探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列；确定所述机动历元序列中任意一个历元为标识历元；在所述健康状态标识序列中从所述标识历元对应的健康状态向前搜索直到搜索到停止标识并确定所述停止标识对应的历元为健康历元；确定所述标识历元与所述健康历元之间的时段为所述目标卫星的轨道机动时段。本发明可以探测卫星的轨道机动时段。

Description

一种卫星轨道机动时段的探测方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星机动探测领域，特别是涉及一种卫星轨道机动时段的探测方法及系统。
背景技术
北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是由静止轨道卫星(Geostationary Orbit，GEO)、倾斜同步轨道卫星(Inclined GeosynchronousSatellite Orbit，IGSO)和中高轨卫星(Medium Earth Orbit，MEO)构成的混合星座。GEO和IGSO卫星由于受到非球形地球引力摄动和日月引力摄动等因素的影响，需要定期进行轨道机动，才能使卫星保持在预期的轨道位置但是卫星的轨道机动将导致卫星空间信号异常，使导航系统空间信号的可用性和连续性造成损失，从而对导航定位用户的服务性能产生影响，导致用户定位存在危险误导信息，影响系统的服务性能。因此有必要对卫星的轨道机动时段进行探测，现有的轨道机动探测主要采用精密定轨中的推力估计、定位中的观测残差、载波相位历元间差分以及测速模型估计卫星位置等方法，算法较为复杂且计算量大。
发明内容
本发明的目的是提供一种卫星轨道机动时段的探测方法及系统，计算简单可以快速探测卫星的轨道机动时段。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种卫星轨道机动时段的探测方法，包括：
在广播星历中获取目标卫星的探测平方根序列和健康状态标识序列；所述探测平方根序列为所述目标卫星在设定探测时间段内各历元的卫星轨道长半轴的平方根组成的序列；所述健康状态标识序列为所述目标卫星在所述设定探测时间段内各历元的健康状态组成的序列；
计算所述探测平方根序列中所有相邻历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到探测差序列；
根据所述探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列；
确定所述机动历元序列中任意一个历元为标识历元；
在所述健康状态标识序列中从所述标识历元对应的健康状态向前搜索直到搜索到停止标识并确定所述停止标识对应的历元为健康历元；所述停止标识的健康状态为健康；
确定所述标识历元与所述健康历元之间的时段为所述目标卫星的轨道机动时段。
可选的，所述探测阈值的确定方法为：
在广播星历中获取所述目标卫星在设定历史时间段内各历史历元的卫星轨道长半轴的平方根组成训练平方根序列；
计算所述训练平方根序列中所有相邻历史历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列；
确定所述训练差序列中大于第一设定范围的差值为所述目标卫星的探测阈值。
可选的，在所述计算所述训练平方根序列中所有相邻的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列之前还包括：
计算所述训练平方根序列的截尾均值；
根据所述截尾均值和设定截尾参数对所述训练平方根序列进行数据剔除操作得到剔除后的训练平方根序列。
可选的，所述根据探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列，具体包括：
计算所述探测差序列中各历元对应的差值的绝对值；
将所述探测差序列中所有符合设定条件的差值对应的历元确定为历元序列；所述设定条件为差值的绝对值大于所述探测阈值；
将所述历元序列中相邻历元删除得到机动历元序列。
一种卫星轨道机动时段的探测系统，包括：
获取模块，用于在广播星历中获取目标卫星的探测平方根序列和健康状态标识序列；所述探测平方根序列为所述目标卫星在设定探测时间段内各历元的卫星轨道长半轴的平方根组成的序列；所述健康状态标识序列为所述目标卫星在所述设定探测时间段内各历元的健康状态组成的序列；
探测差序列确定模块，用于计算所述探测平方根序列中所有相邻历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到探测差序列；
机动历元序列确定模块，用于根据所述探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列；
标识历元确定模块，用于确定所述机动历元序列中任意一个历元为标识历元；
健康历元确定模块，用于在所述健康状态标识序列中从所述标识历元对应的健康状态向前搜索直到搜索到停止标识并确定所述停止标识对应的历元为健康历元；所述停止标识的健康状态为健康；
轨道机动时段确定模块，用于确定所述标识历元与所述健康历元之间的时段为所述目标卫星的轨道机动时段。
可选的，所述机动历元序列确定模块包括：
训练平方根序列获取单元，用于在广播星历中获取所述目标卫星在设定历史时间段内各历史历元的卫星轨道长半轴的平方根组成训练平方根序列；
训练差序列确定单元，用于计算所述训练平方根序列中所有相邻历史历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列；
探测阈值确定单元，用于确定所述训练差序列中大于第一设定范围的差值为所述目标卫星的探测阈值。
可选的，所述机动历元序列确定模块还包括：
截尾均值确定单元，用于计算所述训练平方根序列的截尾均值；
训练平方根序列确定单元，用于根据所述截尾均值和设定截尾参数对所述训练平方根序列进行数据剔除操作得到剔除后的训练平方根序列。
可选的，所述机动历元序列确定模块，包括：
绝对值计算单元，用于计算所述探测差序列中各历元对应的差值的绝对值；
历元序列确定单元，用于将所述探测差序列中所有符合设定条件的差值对应的历元确定为历元序列；所述设定条件为差值的绝对值大于所述探测阈值；
机动历元序列确定单元，用于将所述历元序列中相邻历元删除得到机动历元序列。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明仅利用卫星轨道长半轴的平方根和健康状态标识作为输入数据进行轨道机动探测，计算简单能够快速探测卫星的轨道机动和修复时段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种卫星轨道机动时段的探测方法的流程图；
图2为本发明提供的更具体的卫星轨道机动时段的探测方法的流程图；
图3为本发明提供的卫星轨道机动时段的探测系统的框图；
图4为利用本发明提供的2015年部分GEO卫星轨道长半轴的平方根序列；
图5为利用本发明提供的2015年部分GEO卫星轨道长半轴平方根历元间作差后的序列；
图6为利用本发明提供的卫星轨道机动时段的探测方法对2015年广播星历探测BDS卫星轨道机动的次数统计。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供了一种卫星轨道机动时段的探测方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：在广播星历中获取目标卫星的探测平方根序列和健康状态标识序列；所述探测平方根序列为所述目标卫星在设定探测时间段内各历元的卫星轨道长半轴的平方根组成的序列；所述健康状态标识序列为所述目标卫星在所述设定探测时间段内各历元的健康状态组成的序列。
步骤102：计算所述探测平方根序列中所有相邻历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到探测差序列。
步骤103：根据所述探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列。
步骤104：确定所述机动历元序列中任意一个历元为标识历元。
步骤105：在所述健康状态标识序列中从所述标识历元对应的健康状态向前搜索直到搜索到停止标识并确定所述停止标识对应的历元为健康历元；所述停止标识的健康状态为健康。
步骤106：确定所述标识历元与所述健康历元之间的时段为所述目标卫星的轨道机动时段。
在实际应用中，所述探测阈值的确定方法为：
在广播星历中获取所述目标卫星在设定历史时间段内各历史历元的卫星轨道长半轴的平方根组成训练平方根序列。
计算所述训练平方根序列中所有相邻历史历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列。
确定所述训练差序列中大于第一设定范围的差值为所述目标卫星的探测阈值。
在实际应用中，在所述计算所述训练平方根序列中所有相邻的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列之前还包括：
计算所述训练平方根序列的截尾均值。
根据所述截尾均值和设定截尾参数对所述训练平方根序列进行数据剔除操作得到剔除后的训练平方根序列。
在实际应用中，所述根据探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列，具体包括：
计算所述探测差序列中各历元对应的差值的绝对值。
将所述探测差序列中所有符合设定条件的差值对应的历元确定为历元序列；所述设定条件为差值的绝对值大于所述探测阈值。
将所述历元序列中相邻历元删除得到机动历元序列。
如图2所示，本实施例还提供了一种更加具体的卫星轨道机动时段的探测方法：
S1：轨道根数采集与分析：
搜集近一年在轨BDS卫星的广播星历数据，提取卫星开普勒轨道根数分析GEO和IGSO卫星轨道机动的变化情况，发现卫星轨道长半轴的平方根对卫星轨道机动的反映最为明显，同时卫星轨道机动时被标记为非健康状态，故选取卫星轨道长半轴的平方根和卫星健康状态标识进行轨道机动探测的研究。
S2：数据预处理：
由于从广播星历直接提取的卫星轨道长半轴的平方根序列存在粗差，故设计了相应的粗差探测和剔除方法，将粗差剔除后的卫星轨道长半轴的平方根序列作为下一步数据处理的输入数据。对卫星轨道长半轴的平方根的粗差探测和剔除方法如下：
(1)通过广播星历获取一年内各颗BDS卫星的卫星轨道长半轴的平方根序列
Figure BDA0003160689010000061
其中i表示卫星号，j表示历元。
(2)设定截尾参数α＝0.2，计算各卫星的卫星轨道长半轴的平方根的截尾均值
Figure BDA0003160689010000062
以排除粗差对统计结果的影响，计算得到粗差探测的上下限
Figure BDA0003160689010000063
式中，T1和T2分别为各BDS卫星粗差探测的下限阈值和上限阈值。
其中截尾均值的计算公式为：m＝trimmean(X,α)
上式中，trimmean()为截尾均值函数，X为输入向量，截尾参数α是一个0～100的标量，m表示采用修整过的数据X计算的均值。修整方式是去掉X中最大和最小的各α％/2个数据。也就是说，如果向量X长度为n，那么修整方法是去掉X中L＝n*(α/100)/2个最大的数和L个最小的数，然后计算均值。
(3)根据计算的上限阈值和下限阈值，对卫星轨道长半轴的平方根进行粗差探测和剔除，粗差的判断条件为：
Figure BDA0003160689010000071
或
Figure BDA0003160689010000072
当卫星的卫星轨道长半轴的平方根满足上述判断条件时，认为该平方根存在粗差，将其从数据中剔除。
S3：探测阈值确定：
将第i颗卫星粗差探测和剔除后的卫星轨道长半轴的平方根序列进行相邻历元间作差得到DA，对各卫星作差后的DA序列进行分析发现，当卫星未发生轨道机动时，DA的序列在0附近波动，当卫星发生轨道机动后，轨道机动前后的历元间作差后，产生明显大于正常波动的跳变，该跳变可作为卫星轨道机动的探测的标识。由于GEO卫星的轨道机动间隔时长不同，各GEO卫星机动前后跳变的量级大小不一；而IGSO卫星由于轨道机动周期长，间隔类似，各卫星轨道机动前后跳变的量级可认为相同。因此GEO卫星的探测阈值需要各自设定，而IGSO卫星可设定相同的阈值。统计分析各卫星DA的跳变值，得到各卫星DA序列跳变的经验阈值，即可作为卫星轨道机动的探测阈值。
S4：输入数据获取：
探测阈值确定后，从广播星历中提取一颗卫星的卫星轨道长半轴的平方根序列A0(设定探测时间段内各历元的卫星轨道长半轴的平方根组成的序列)和健康状态标识序列H0(在所述设定探测时间段内各历元的健康状态组成的序列)作为轨道机动探测的输入数据。对A0采用S2中的粗差探测和剔除方法进行粗差探测和剔除，剔除后的时间序列记为A1，并将A1进行相邻历元间作差，得到历元间作差后的ΔA序列。
S5：轨道机动探测：
将ΔA序列和设定的探测阈值(记为Thres)作为输入数据进行轨道机动探测，然后依次将该卫星的ΔA序列与该卫星相应的探测阈值进行比较，当某一历元j的ΔA(j)满足下面的判断条件时，则认为该卫星在第j个历元发生轨道机动。判断条件为：
abs(ΔA(j))>Thres，其中，abs()表示求绝对值。
对发生轨道机动的卫星和历元进行标记，存入记录卫星轨道机动的数据序列P0。
S6：异常历元剔除：
对P0进行筛选，若存在相邻的历元均发生跳变，则为粗差历元，将其从标记结果中剔除，得到新的数据序列P1，例如若P0中的历元为(T0，T2，T3，T5，T7)则将T2和T3删除。
S7：机动时段检核：
依次从卫星的轨道机动标记序列P1中提取该卫星的一个轨道机动标记历元t1，设定搜索步长为15，然后对该卫星的健康状态标识序列H0从标记历元t1往前搜索，若H0中存在连续的历元健康状态标识为1，则对其进行标记，直至搜索到H0为0的历元结束。则与当前标记历元t1相邻的连续的非健康历元为卫星轨道机动和恢复时段。
本实施例还提供了一种与上述方法对应的卫星轨道机动时段的探测系统，如图3所示，所述系统包括：
获取模块A1，用于在广播星历中获取目标卫星的探测平方根序列和健康状态标识序列；所述探测平方根序列为所述目标卫星在设定探测时间段内各历元的卫星轨道长半轴的平方根组成的序列；所述健康状态标识序列为所述目标卫星在所述设定探测时间段内各历元的健康状态组成的序列。
探测差序列确定模块A2，用于计算所述探测平方根序列中所有相邻历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到探测差序列。
机动历元序列确定模块A3，用于根据所述探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列。
标识历元确定模块A4，用于确定所述机动历元序列中任意一个历元为标识历元。
健康历元确定模块A5，用于在所述健康状态标识序列中从所述标识历元对应的健康状态向前搜索直到搜索到停止标识并确定所述停止标识对应的历元为健康历元；所述停止标识的健康状态为健康。
轨道机动时段确定模块A6，用于确定所述标识历元与所述健康历元之间的时段为所述目标卫星的轨道机动时段。
作为一种可选的实施方式，所述机动历元序列确定模块包括：
训练平方根序列获取单元，用于在广播星历中获取所述目标卫星在设定历史时间段内各历史历元的卫星轨道长半轴的平方根组成训练平方根序列。
训练差序列确定单元，用于计算所述训练平方根序列中所有相邻历史历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列。
探测阈值确定单元，用于确定所述训练差序列中大于第一设定范围的差值为所述目标卫星的探测阈值。
作为一种可选的实施方式，所述机动历元序列确定模块还包括：
截尾均值确定单元，用于计算所述训练平方根序列的截尾均值。
训练平方根序列确定单元，用于根据所述截尾均值和设定截尾参数对所述训练平方根序列进行数据剔除操作得到剔除后的训练平方根序列。
作为一种可选的实施方式，所述机动历元序列确定模块，包括：
绝对值计算单元，用于计算所述探测差序列中各历元对应的差值的绝对值。
历元序列确定单元，用于将所述探测差序列中所有符合设定条件的差值对应的历元确定为历元序列；所述设定条件为差值的绝对值大于所述探测阈值。
机动历元序列确定单元，用于将所述历元序列中相邻历元删除得到机动历元序列。
本实施例还提供了利用本方法获取的2015年部分GEO卫星的长半轴平方根序列，如图4所示；将探测平方根序列历元间作差后，得到探测差序列，部分GEO卫星的探测差序列如图5所示；对2015年广播星历探测BDS卫星轨道机动的次数统计，如图6所示，其中GEO的轨道机动频率明显高于IGSO卫星。
本发明的技术效果：
本方法主要利用BDS卫星广播星历轨道根数中的卫星轨道长半轴的平方根和健康状态标识作为输入数据进行轨道机动探测，能够快速探测卫星的轨道机动和修复时段，替代过于复杂的定轨方法中的轨道机动探测，计算简单、快速、计算效率大大提升，在不增加额外时间的同时，利用便捷的方法实现BDS卫星轨道机动的快速有效有效识别，降低BDS卫星轨道机动对空间信号性能的影响，便于大众用户的使用，且提升了计算效率，降低了算法复杂度，同时探测结果能够为后续的系统空间信号性能评估提供有效的输入数据。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种卫星轨道机动时段的探测方法，其特征在于，包括：
在广播星历中获取目标卫星的探测平方根序列和健康状态标识序列；所述探测平方根序列为所述目标卫星在设定探测时间段内各历元的卫星轨道长半轴的平方根组成的序列；所述健康状态标识序列为所述目标卫星在所述设定探测时间段内各历元的健康状态组成的序列；
计算所述探测平方根序列中所有相邻历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到探测差序列；
根据所述探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列；
确定所述机动历元序列中任意一个历元为标识历元；
在所述健康状态标识序列中从所述标识历元对应的健康状态向前搜索直到搜索到停止标识并确定所述停止标识对应的历元为健康历元；所述停止标识的健康状态为健康；
确定所述标识历元与所述健康历元之间的时段为所述目标卫星的轨道机动时段。
2.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动时段的探测方法，其特征在于，所述探测阈值的确定方法为：
在广播星历中获取所述目标卫星在设定历史时间段内各历史历元的卫星轨道长半轴的平方根组成训练平方根序列；
计算所述训练平方根序列中所有相邻历史历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列；
确定所述训练差序列中大于第一设定范围的差值为所述目标卫星的探测阈值。
3.根据权利要求2所述的一种卫星轨道机动时段的探测方法，其特征在于，在所述计算所述训练平方根序列中所有相邻的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列之前还包括：
计算所述训练平方根序列的截尾均值；
根据所述截尾均值和设定截尾参数对所述训练平方根序列进行数据剔除操作得到剔除后的训练平方根序列。
4.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动时段的探测方法，其特征在于，所述根据探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列，具体包括：
计算所述探测差序列中各历元对应的差值的绝对值；
将所述探测差序列中所有符合设定条件的差值对应的历元确定为历元序列；所述设定条件为差值的绝对值大于所述探测阈值；
将所述历元序列中相邻历元删除得到机动历元序列。
5.一种卫星轨道机动时段的探测系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于在广播星历中获取目标卫星的探测平方根序列和健康状态标识序列；所述探测平方根序列为所述目标卫星在设定探测时间段内各历元的卫星轨道长半轴的平方根组成的序列；所述健康状态标识序列为所述目标卫星在所述设定探测时间段内各历元的健康状态组成的序列；
探测差序列确定模块，用于计算所述探测平方根序列中所有相邻历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到探测差序列；
机动历元序列确定模块，用于根据所述探测差序列中各历元对应的差值和探测阈值确定机动历元序列；
标识历元确定模块，用于确定所述机动历元序列中任意一个历元为标识历元；
健康历元确定模块，用于在所述健康状态标识序列中从所述标识历元对应的健康状态向前搜索直到搜索到停止标识并确定所述停止标识对应的历元为健康历元；所述停止标识的健康状态为健康；
轨道机动时段确定模块，用于确定所述标识历元与所述健康历元之间的时段为所述目标卫星的轨道机动时段。
6.根据权利要求5所述的一种卫星轨道机动时段的探测系统，其特征在于，所述机动历元序列确定模块包括：
训练平方根序列获取单元，用于在广播星历中获取所述目标卫星在设定历史时间段内各历史历元的卫星轨道长半轴的平方根组成训练平方根序列；
训练差序列确定单元，用于计算所述训练平方根序列中所有相邻历史历元的卫星轨道长半轴的平方根的差值得到训练差序列；
探测阈值确定单元，用于确定所述训练差序列中大于第一设定范围的差值为所述目标卫星的探测阈值。
7.根据权利要求6所述的一种卫星轨道机动时段的探测系统，其特征在于，所述机动历元序列确定模块还包括：
截尾均值确定单元，用于计算所述训练平方根序列的截尾均值；
训练平方根序列确定单元，用于根据所述截尾均值和设定截尾参数对所述训练平方根序列进行数据剔除操作得到剔除后的训练平方根序列。
8.根据权利要求5所述的一种卫星轨道机动时段的探测系统，其特征在于，所述机动历元序列确定模块，包括：
绝对值计算单元，用于计算所述探测差序列中各历元对应的差值的绝对值；
历元序列确定单元，用于将所述探测差序列中所有符合设定条件的差值对应的历元确定为历元序列；所述设定条件为差值的绝对值大于所述探测阈值；
机动历元序列确定单元，用于将所述历元序列中相邻历元删除得到机动历元序列。
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