[发明专利]一种高精度实时卫星轨道瞬时半长轴的去振方法

说明书

本发明设计了一种高精度实时的卫星轨道半长轴的去振方法。该方法采取了数值平均和数值拟合的理念，利用数值平均，给出初次去振半长轴；再利用离散傅里叶变换和数值拟合的方法进一步去振荡。本发明的具体实现方法是利用轨道动力学模型进行轨道预报，从而得到足够长时间段的卫星高精度的绝对位置和速度信息，最后计算得到卫星轨道的瞬时半长轴，利用一定周期内的瞬时半长轴，使用数值平均获取初次去振半长轴；离散傅里叶变换提取残余短周期振荡的固有频率；最后根据残余短周期振荡固有频率，使用数值拟合的方法，计算得到卫星轨道去振平均半长轴。本发明具有导航精度高、实时性好的优点。

技术领域

本发明提供一种高精度实时卫星轨道瞬时半长轴的去振方法，它涉及在一定时间内卫星高精度轨道已知的情况下，通过短时间内的轨道预报加长可利用轨道，轨道瞬时半长轴的分段数值平均初次去振，离散傅里叶变换提取初次去振半长轴残余的短周期振荡固有频率，初次去振半长轴的数值拟合，去掉残余的短周期振荡项，保留长期项和长周期项，最后得到消除短周期振荡后的卫星轨道平均半长轴。属于导航技术领域。

背景技术

随着小卫星星座技术的快速发展,小卫星星座受到了世界各航天大国的重视。鸽群卫星(DOVE)星座，由美国Planet Labs公司研制。它使用体积为3U(10cm×10cm×30cm)，重量仅为5.8Kg的CubeSat卫星，组成小卫星编队，可以达到对地3m分辨率的观测，并且可以做到每天遍历拍摄地球一遍，如果使用传统卫星星座造价将非常高昂。星链(StarLink)卫星星座，由著名的SpaceX公司研制，SpaceX公司计划在2024年之前发射超过万颗小卫星，组成卫星星座。根据SpaceX公司，如果一切顺利，星链卫星星座将会提供低成本的互联网连接任务，并且不会受到地理位置的限制，这会极大推动互联网的发展。

但大部分卫星星座都面临着轨道相位保持的问题，一般需要通过轨道相位控制来保持整个星座。假设卫星实际位置为A’，而卫星应该在目标位置为A，它们之间的纬度幅角的夹角为α，卫星需要通过轨道相位控制来保证α角不能太大。

一般而言，卫星是通过控制轨道半长轴来保持轨道相位的。如果一个在理想位置的卫星的轨道半长轴变大，将导致卫星轨道周期增加，这会导致卫星的相位误差越来越大。所以确定卫星轨道半长轴，成为卫星相位控制的重中之重。

卫星的瞬时半长轴，可以分为三部分组成，分别为长期项，长周期项和短周期振荡项。长期项，主要是卫星在地球中心引力场影响下的轨道，是轨道半长轴的主要组成部分，长期项的变化无周期可言，会随着时间逐渐漂移。在地球非球型重力场、地球变形引起的海潮和地固潮、太阳和月球引起的三体引力、大气阻力、太阳光压等摄动力的影响下，轨道半长轴便会产生短周期震荡项和长周期项。卫星轨道半长轴的长周期项是指的是实际轨道半长轴随着时间缓慢地周期性变化，经过一个较长周期后才会比较明显；而卫星轨道半长轴的短周期振荡，是指的轨道半长轴在一个值附近来回快速的振荡，周期相对较短。

目前低轨卫星一般由GNSS定轨技术确定轨道，获得卫星轨道半长轴。GNSS的全称为全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System),包括了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的北斗等。这是一种能为用户提供空间和时间基准的系统。一种随着GNSS系统的发展，有越来越多的低轨卫星使用了基于GNSS的卫星精密定轨技术。

但是应用GNSS定轨技术，只能获得每个时刻的低轨卫星轨道的瞬时半长轴，这对小卫星相位控制是相当不利的。因为大部分时候，卫星轨道相位控制的目的是为了抑制卫星相位的长期漂移，也就是抑制轨道半长轴的长期漂移，一般不希望对卫星轨道半长轴的短周期振荡做处理，因为短周期振荡项对相位影响较小，且处理起来会浪费很多燃料，这对很多卫星，特别是小卫星而言，是无法接受的。