[发明专利]一种重力卫星非保守力建模方法和系统

说明书

本发明涉及一种重力卫星非保守力建模方法和系统。该方法包括：将当前时刻的加速度计状态向量作为初始值，结合状态转移矩阵和状态方程确定下一时刻的状态估算值，并确定所述状态估算值的方差协方差矩阵；基于观测方程确定测量噪声的协方差矩阵；根据所述噪声的协方差矩阵、所述状态估算值的方差协方差矩阵和设计矩阵确定滤波增益；利用状态方程，根据所述状态估算值、所述滤波增益和所述测量噪声确定下一时刻的状态估算向量和所述下一时刻的状态估算向量的方差协方差矩阵；以所述下一时刻的状态估算向量作为新的初始值，重复执行上述步骤，以确定状态估计向量的最佳估计值，进而能够提高确定非保守力数据的精确性和可靠性。

技术领域

本发明涉及卫星非保守力建模领域，特别是涉及一种重力卫星非保守力建模方法和系统。

背景技术

航天器在轨运行中会受到地球引力、日月引力、大气阻力、辐射光压等力的作用，给其轨道和姿态控制，以及寿命带来较大的影响。其中，地球引力、日月引力等建模技术已经相对成熟且精度较高。而大气阻力和辐射光压等非保守力虽然量级相对较小，对航天器轨道的长期影响不可忽略。由于辐射强度的变化、航天器姿态控制的偏差以及表面材料的老化等因素的影响，高精度的非保守力建模比较困难，目前已经成为航天器动力学定轨的主要误差源。

以重力卫星为例，其主要任务为探测地球重力场和大地水准面及其变化，确定地球重力场的精细结构和时间变化，为重力场反演、环境监测、极地高山冰川研究、地震、水文、海洋等领域的研究提供高精度、高时空分辨率的数据。这些研究均受到重力卫星轨道精度以及加速度计测量精准度的直接影响。因此，重力卫星的精密轨道确定和加速度计精密标定，尤其是精确的航天器轨道力学模型十分重要。

重力卫星中的低-低跟踪型卫星编队搭载了高精度的静电悬浮加速度计，用于测量卫星所受到的非保守力。但星载高精度加速度计的数据质量受到以下因素影响：在地面检验过程中，受重力加速度的限制，只能给出粗略检验值，卫星发射后需要进一步进行在轨标校和外部标校；加速度计是相对测量仪器，存在仪器偏差、标度因数、二阶项等参数，观测值与真实的非保守力存在偏差；还受到星上复杂环境(高速电磁粒子流、微小空间碎片、仪器载荷的电磁兼容等)的影响。因此，尽管其输出的加速度观测值精度较高，但准确度却受到其他因素的影响，往往具有较大的偏差(高达1万～2万nm/s²)以及尺度收缩。而实际卫星所受的非保守力的量级在几十到几百nm/s²，这导致无法直接从加速度计的观测值中判断当前的观测数据是否存在系统性偏差(加速度计是否工作正常)，给加速度计观测数据的质量监测、标校等带来困难，进一步给卫星的非保守力带来较大的偏差。因此，需要对重力卫星的加速度计输出数据进行质量监测、标校等处理。

目前，加速度计参数的在轨标校方法主要有推进器推力标定、旋转卫星标定和引力标定，但是在轨标校的参数标定精度有限，仍需要通过外部校准来提高精度；外部校准方法主要有直接法、能量法、交叉点法、动力学方法和整体法，但这些方法在速度、精度和适应性等方面均有待提高。

非保守力建模从辐射光压和大气阻力等非保守力的物理本质出发，得到的模型数据较加速度计观测值具有更高的准确度(模型的典型准确度为10^-9ms^-2到10^-8ms^-2，而加速度计数据的准确度为10^-4ms^-2)；而且非保守力模型能够比较精细地描述非保守力的状态变化。在观测方面，加速度计数据具有很高的测量精度，能够精确的描述非保守力的变化，但容易受到各种扰动的影响因此，对于重力卫星的精密定轨和重力场反演，需要提出一种融合加速度计观测数据和非保守力建模数据的建模方法或系统，充分利用非保守力建模数据和加速度计观测数据各自的优势，得到高精度、高可靠的非保守力数据。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种重力卫星非保守力建模方法和系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：