CN114282166B - 基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法、变轨判别方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例是关于一种基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法、变轨判别方法，计算方法包括以下步骤：建立地面站跟踪卫星的测角观测模型；根据所述测角观测模型建立卫星空间位置变化与设备指向变化关联模型；根据所述关联模型得到测角变化表征卫星定点经度变化关系式。本实施例中的基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法，仅根据接收高轨目标下行信号时的观测方位、俯仰角度推算目标卫星的空间位置，能够快速计算出目标经度，所需数据量少，精度较高。变轨判别方法，能够快速计算出目标经度，并根据目标经度变化，判断目标机动变轨情况，计算所需数据少、经度计算快，具备很强的可嵌入性和可移植性，可用于高轨目标搜索定位、变轨告警、接力跟踪等。

Description

基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法、变轨判别方法

技术领域

本公开实施例涉及航天测量技术领域，尤其涉及一种基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法、变轨判别方法。

背景技术

目前，地基空间目标监视手段主要包括：雷达、光学、电磁侦收设备、测控设备等。传统技术中，地面设备对高轨卫星跟踪观测主要通过标准测距音、上行测量帧或者反射式雷达等方式获取测距或测角等数据，且一般需要经过长弧段(大于2小时)的数据采集、多站联合定轨计算和轨道修正，才能够获得相对准确的目标轨道数据。

以上技术存在计算所需数据多、经度计算慢等问题。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法、变轨判别方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

第一方面，本发明提供一种基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法，包括以下步骤：

建立地面站跟踪卫星的测角观测模型；

根据所述测角观测模型建立卫星空间位置变化与设备指向变化关联模型；

根据所述关联模型得到测角变化表征卫星定点经度变化关系式。

本发明中，所述建立地面站跟踪卫星的测角观测模型，包括：

根据假设的地固系到地面站地平坐标系的转换矩阵得到卫星相对地面站的位置矢量；

得到所述地固系到地面站地平坐标系的转换矩阵；

根据所述转换矩阵得到测角观测方程。

本发明中，假设地固系e系到地面站地平坐标系m系的转换矩阵为则卫星相对地面站的位置矢量ρ_m＝[x_m y_m z_m]^T在地面站地平坐标系表示为：

其中，r_sat和R分别为卫星和地面站在地固系中的位置矢量；

经坐标转换可得：

式中，λ和分别为地面站的大地经度和大地纬度；

测角观测方程为：

式中，A和E分别为地面站对卫星的观测方位角和仰角。

本发明中，所述根据所述测角观测模型建立卫星空间位置变化与设备指向变化关联模型，包括：

根据转换矩阵和测角观测方程得到偏导数矩阵：

地球同步卫星在地固系中的位置矢量r_sat表示为：

式中，r_sat为地心距，λ_sat和分别为定点经度和纬度，继续推导，得到：

卫星定点经度和纬度变化对地面站观测方位角和仰角变化关系如下：

然后得到如下矩阵形式：

式中，为环境函数矩阵。

本发明中，根据所述环境函数矩阵得到测角变化表征卫星定点经度变化关系式：

本发明中，所述环境函数矩阵的数值与地面站站址和卫星的经纬度相关。

本发明中，所述卫星为高轨卫星。

第二方面，本发明提供一种基于环境函数矩阵的卫星机动变轨判别方法，包括以下步骤：

采用上述任一项所述的计算方法计算出目标卫星的经度变化；

根据所述经度变化得到卫星经度位置递推公式：λ_新＝λ_旧+Δλ_sat，式中，λ_新表示卫星位置变化后的经度，λ_旧表示卫星位置变化前的经度；

根据所述递推公式实时连续计算得到卫星经度位置，然后计算得到漂移率；

比对目标卫星的空间位置和所述漂移率的变化情况，判断所述目标卫星是否变轨。

本发明中，当所述漂移率大于预设漂移率时，则判定所述目标卫星变轨。

本发明中，所述预设漂移率为0.0128°±0.0003°/(km·d)。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法仅根据接收高轨目标下行信号时的观测方位、俯仰角度推算目标卫星的空间位置，能够快速计算出目标经度，所需数据量少，计算速度快，精度较高。

本发明中的基于环境函数矩阵的高轨卫星变轨判别方法，可将该空间位置转化为任意地面站点的跟踪方位、俯仰角度，作为下一站点程序引导跟踪的输入。该方法基于高轨目标测角数据，能够快速计算出目标经度，并根据目标经度变化，判断目标机动变轨情况，具有计算所需数据少、经度计算快等优点，并且具备很强的可嵌入性和可移植性，可广泛应用并推广至任意具备下行信道的指向性地面站点，用于高轨目标的搜索定位、变轨告警、接力跟踪等各类应用场景。

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。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本公开示例性实施例中基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法的流程图；

图2示出本公开示例性实施例中的地面站地平坐标系与地固系关系示意图；

图3示出本公开示例性实施例中的地面站跟踪高轨目标测角示意图；

图4示出本公开示例性实施例中基于环境函数矩阵的卫星的变轨判别方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中提供一种基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法，请参考图1-3，包括以下步骤：

S101，建立地面站跟踪卫星的测角观测模型；

S102，根据所述测角观测模型建立卫星空间位置变化与设备指向变化关联模型；

S103，根据所述关联模型得到测角变化表征卫星定点经度变化关系式。

本发明建立了高轨卫星空间位置变化与设备天线指向变化关联模型，提出了一种基于环境函数矩阵的高轨卫星经度快速计算方法，可实现地面设备在不发上行信号的情况下，仅根据接收高轨目标下行信号时的观测方位、俯仰角度，以较高的位置精度(优于0.02°)推算目标卫星空间位置，具有目标经度计算快速，所需数据量少，精度较高的优点。

具体地，所述计算过程如下：

1、建立地面站跟踪高轨卫星的测角观测模型。假设地固系(e系)到地面站地平坐标系(m系)的转换矩阵为则高轨卫星相对地面站的位置矢量ρ_m＝[x_m y_m z_m]^T在地面站地平坐标系可表示为

其中，r_sat和R分别为高轨卫星和地面站在地固系中的位置矢量。

根据坐标转换知识可知

式中，λ和分别为地面站的大地经度和大地纬度。

于是，测角观测方程可表示为

式中，A和E分别为地面站对高轨卫星的观测方位角和仰角。

2、根据地面站站址、天线实时测角数据等参数，建立高轨卫星空间位置变化与设备指向变化关联模型。经过分析可知，高轨卫星的位置变化会引起设备指向变化，联立公式可得偏导数矩阵和/>

对于地球同步卫星而言，其在地固系中的位置矢量r_sat可表示为：

式中，r_sat为地心距，λ_sat和分别为定点经度和纬度。

于是，进一步可得：

因此，可得卫星定点经度和纬度变化对地面站观测方位角和仰角变化关系如下：

将公式(8)写成如下矩阵形式

式中，为环境函数矩阵，该矩阵数值与地面站站址和高轨卫星的经纬度相关。

3、由公式(9)分析可得测角变化表征卫星定点经度变化关系如下：

因此，可利用设备天线指向变化快速计算出高轨目标卫星经度变化。

利用以上方法可实现单站或多站联合递推计算目标经度，可用于实时监视高轨卫星经度位置变化情况，在综合考虑设备测角误差、卫星轨道倾角和偏心率不严格为零等因素时，所提出的经度快速计算方法精度约为0.02°，与设备天线指向精度基本吻合。同时，根据该目标经度，反算出的任一可视站点的方位、俯仰(A\E)后，可作为该站点下一弧段的程序引导跟踪的数据输入。

本实施例还提供一种基于环境函数矩阵的卫星机动变轨判别方法，请参考图4，包括以下步骤：

S201，利用以上卫星经度计算方法计算出目标卫星的经度变化；

S202，根据所述经度变化得到卫星经度位置递推公式：

λ_新＝λ_旧+Δλ_sat (11)

式中，λ_新表示卫星位置变化后的经度，λ_旧表示卫星位置变化前的经度；

S203，根据所述递推公式实时连续计算得到卫星经度位置，然后计算得到漂移率；

S204，比对目标卫星的空间位置和所述漂移率的变化情况，判断所述目标卫星是否变轨。

本实施例可将该空间位置转化为任意地面站点的跟踪方位、俯仰角度，作为下一站点程序引导跟踪的输入(经度时效性优于5小时)。该方法基于高轨目标测角数据，能够快速计算出目标经度，并根据目标经度变化，判断目标机动变轨情况，具有计算所需数据少、经度计算快等优点，并且具备很强的可嵌入性和可移植性，可广泛应用并推广至任意具备下行信道的指向性地面站点，用于高轨目标的搜索定位、变轨告警、接力跟踪等各类应用场景。

用公式(11)可实时连续地计算得到卫星经度位置，并由此计算得到其漂移率，通过比对目标空间位置和漂移率的变化情况，可判断卫星是否变轨。利用高轨目标空间位置快速计算方法精度，结合高轨目标1km半长轴差对应0.0128°±0.0003°/天的漂移率，经理论分析，可以给出在目标不同机动变轨高度(抬高或降低)情况下，地面站设备感知空间高轨目标机动变轨的时间门限。不同的目标空间位置的计算精度，对应的感知时间门限也会不同，具体情况如表1所示。

表1地面站设备感知高轨目标机动变轨时间门限

实验例：

(1)根据计划安排，组织三个地面站对高轨卫星进行观测，并记录观测时刻、方位角和仰角观测数值。地面站A、B、C观测时间及测角数据如表2所示。

表2地面站A、B、C测角数据

地面站	时间	方位(°)	俯仰(°)
				A	04:00:00	171.07	45.22
B	09:00:00	233.04	31.97
				A	12:00:00	171.44	45.19
C	17:00:00	237.57	18.70

(2)根据地面站A、B、C测角数据，利用关联模型，计算不同时刻目标定点经度，结果如表3所示。

表3空间目标定点经度

地面站	时间	定点经度(°)
			A	04:00:00	82.27
B	09:00:00	82.12
			A	12:00:00	82.05
C	17:00:00	81.98

(3)根据目标不同时刻定点经度，计算不同时段目标平均漂移率：

表4不同时段目标漂移率

时段	漂移率(°/天)
		04:00:00-09:00:00	0.72
09:00:00-12:00:00	0.56
		12:00:00-17:00:00	0.34

(4)根据目标空间位置及漂移率给出目标一段时间内的机动变轨情况。根据以上情况，可以看出，在04:00:00-17:00:00时间内，目标持续向西漂移，且漂移率持续减小。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，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所附的权利要求指出。

Claims (9)

1.一种基于环境函数矩阵的卫星经度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立地面站跟踪卫星的测角观测模型；

根据所述测角观测模型建立卫星空间位置变化与设备指向变化关联模型；

根据所述关联模型得到测角变化表征卫星定点经度变化关系式；

其中，所述根据所述测角观测模型建立卫星空间位置变化与设备指向变化关联模型，包括：

根据转换矩阵和测角观测方程得到偏导数矩阵：

地球同步卫星在地固系中的位置矢量r_sat表示为：

式中，r_sat为地心距，λ_sat和分别为定点经度和纬度，继续推导，得到：

卫星定点经度和纬度变化对地面站观测方位角和仰角变化关系如下：

然后得到如下矩阵形式：

式中，为环境函数矩阵。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述建立地面站跟踪卫星的测角观测模型，包括：

根据假设的地固系到地面站地平坐标系的转换矩阵得到卫星相对地面站的位置矢量；

得到所述地固系到地面站地平坐标系的转换矩阵；

根据所述转换矩阵得到测角观测方程。

3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，假设地固系e系到地面站地平坐标系m系的转换矩阵为则卫星相对地面站的位置矢量ρ_m＝[x_m y_m z_m]^T在地面站地平坐标系表示为：

其中，r_sat和R分别为卫星和地面站在地固系中的位置矢量；

经坐标转换可得：

式中，λ和分别为地面站的大地经度和大地纬度；

测角观测方程为：

式中，A和E分别为地面站对卫星的观测方位角和仰角。

4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，根据所述环境函数矩阵得到测角变化表征卫星定点经度变化关系式：

5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述环境函数矩阵的数值与地面站站址和卫星的经纬度相关。

6.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述卫星为高轨卫星。

7.基于环境函数矩阵的卫星机动变轨判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用权利要求1-6任一项所述的计算方法计算出目标卫星的经度变化；

根据所述经度变化得到卫星经度位置递推公式：λ_新＝λ_旧+Δλ_sat，式中，λ_新表示卫星位置变化后的经度，λ_旧表示卫星位置变化前的经度；

根据所述递推公式实时连续计算得到卫星经度位置，然后计算得到漂移率；

比对目标卫星的空间位置和所述漂移率的变化情况，判断所述目标卫星是否变轨。

8.根据权利要求7所述的判别方法，其特征在于，当所述漂移率大于预设漂移率时，则判定所述目标卫星变轨。

9.根据权利要求8所述的判别方法，其特征在于，所述预设漂移率为0.0128°±0.0003°/(km·d)。