非保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術的製作方法

2023-06-04 15:54:46 2

非保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種非保守力下的導航星軌道確定改進的無奇點技術。技術特徵在於：通過高斯方程獲得非保守力攝動的理論表達。根據高斯--許方程，組成受攝軌道無奇點的理論表達，根據觀測進行理論擬合，從而確定導航星軌道或軌道改進。因北鬥導航星軌道都是近圓和赤道的，經典軌道理論均存在奇點，從而定軌或軌道改進失敗。本發明技術可供北鬥導航星軌道定軌和改進，而沒有奇點。另本發明技術簡單，可減少計算量，適合星上自行定軌。因衛星攝動力包括有勢位力與非保守力兩種，故本發明與發明權利登記號201310545077.2所述發明在有勢位力下的導航星軌道確定改進的無奇點技術聯合應用，構成了一個完整的無奇點軌道確定改進技術。
【專利說明】 非保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用無奇點理論和技術確定非保守力作用下的衛星軌道和對衛星軌道進行改進的方法和技術，涉及衛星導航定位【技術領域】，涉及導航衛星測量定軌領域，屬於大地測量與衛星導航定位學科，屬於天體測量與天體力學學科。
【背景技術】
[0002]非保守力作用下的導航衛星的軌道確定和改進的關鍵問題在於衛星運動方程應用。
[0003]目前主要描述導航衛星運動的方程有兩類:1)直角坐標系下的運動方程，該方法無法獲得理論解即理論的軌道描述，所以只能用數值積分求解，需要積分器，需要較大的計算能力，很難實時，無法對運動進行定性分析，無法星上自行定軌應用。2)克卜勒變量下的高斯方程，應用該方程可以求得衛星軌道的理論描述，定軌和軌道改進變成擬合平差濾波，計算量大大減小，適合於星上自行定軌應用，可以實時，但是軌道理論描述存在奇點問題。
[0004]GPS導航衛星的軌道基本上都是近圓形的軌道，所以衛星軌道有近圓奇點問題。北鬥衛星導航系統除了近圓軌道衛星外，還有赤道軌道衛星，既存在近圓奇點問題，也存在赤道軌道奇點問題。
[0005]上述現有理論方法技術要麼存在計算量大，需要積分器，很難實時，無法定性分析的缺點，要麼存在奇點問題，無法用於實時導航衛星星上的自行定軌。

【發明內容】

[0006]要解決的技術問題
為了使得能夠自行星上定軌和軌道改進，本發明提出一種無奇點的技術能使非保守力作用下的導航衛星軌道的理論描述不含奇點，從而使得到導航衛星軌道的確定和改進都可以獲得理論描述而不會發生奇異，從而通過衛星觀測擬合平差濾波，實現實時星上自行定軌。利用本發明進行衛星定軌和軌道改進可以實現北鬥系統的自主能力，減少對地面控制站的依賴，從而提高北鬥系統在實戰中的生存能力，從而提高北鬥應用的範圍，並具有計算簡單、精度高，成本降低等優點。綜合本發明與發明登記號201310545077.2的發明，全部受攝運動的衛星軌道均無奇點問題，從而形成了一整套可實時星上自行定軌的無奇點技術。
[0007]技術方案
本發明的技術特徵在於:根據不含奇點的六個中間變量的時間導數，作出判斷，決定如何組成在非保守力作用下的無奇點的運動方程，然後利用中值積分定理求得軌道的理論描述，並通過對衛星的觀測擬合平差濾波獲得軌道確定和改進，具體步驟如下:
步驟1:求取非保守力作用下第一個中間變量對時間的導數；
步驟2:求取非保守力作用下第二個中間變量對時間的導數；
步驟3:求取非保守力作用下第三個中間變量對時間的導數；
步驟4:求取非保守力作用下第四個中間變量對時間的導數； 步驟5:求取非保守力作用下第五個中間變量對時間的導數；
步驟6:求取非保守力作用下第六個中間變量對時間的導數；
步驟7:判斷(5)式是否含有因子sini ;
步驟8:判斷(3)式是否含有因子
步驟9:根據初始軌道根數判斷軌道傾角是否為零，即軌道是否為赤道軌道；
步驟10:根據初始軌道根數判斷軌道橢圓扁率是否為零，即軌道是否為圓形軌道； 步驟11:根據(7)式組成克卜勒根數軌道半長軸相對於時間的導數的微分方程；
步驟12:根據(8)式組成克卜勒根數軌道軌道橢圓扁率相對於時間的導數的微分方
程;
步驟13:根據(9)式組成克卜勒根數近地點角相對於時間的導數的微分方程；
步驟14:根據(10)式組成克卜勒根數軌道軌道面傾角相對於時間的導數的微分方
程;
步驟15:根據(11)式組成克卜勒根數軌道升交點赤經相對於時間的導數的微分方
程;
步驟16:根據(12)式組成克卜勒根數軌道平近點角相對於時間的導數的微分方程；步驟17:根據中值積分定理積分方程(7-11)從而獲得非保守力作用下無奇點的軌道理論描述；
步驟18:根據對衛星的觀測和對軌道理論描述進行擬合平差濾波，從而確定非保守力作用下的衛星軌道或其改進；
步驟19:根據發明權利登記號201310545077.2所發明的保守位力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術，可獲得在保守力位作用下軌道確定或軌道改進的結果；
步驟20:綜合上述步驟18和步驟19所獲得的結果，即本發明與發明權利登記號201310545077.2所述發明保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術的聯合應用，構成了一個完整的無奇點軌道確定改進技術。
[0008]有益效果
本發明提出的利用無奇點理論推導非保守力作用下軌道理論描述並利用對衛星觀測的擬合平差濾波從而確定衛星軌道或對衛星軌道進行改進的技術和方法，解決了天體力學和軌道理論中的奇點問題，使衛星定軌變成了用理論模型對衛星觀測值進行擬合的簡單過程，從而不需要積分器，不需要求解變分方程，適合於星上自行實時定軌的應用。可提高導航衛星的定軌精度從而提高導航衛星的定位精度。另外本發明技術計算簡化，可以有效用於實時星載應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為四個角度克卜勒根數的幾何意義示意圖。(其中equator為赤道，orbit為軌道，node為升交點，perigee為近地點，satellite為衛星，pole為極，vernalequinox為春分點經圈，Y為春分點，Ω, ω , i, f分別為升交點赤經,近地點角，軌道傾角，真近點角)。
[0010]圖2為真近點角/扁近點角萬之間的關係圖。(其中a為軌道橢圓長半軸，b為軌道短半軸，S為衛星$力衛星S在以a為半徑的圓上的投影，O為軌道橢圓的焦點，燈為橢圓中心)。
[0011]圖3為軌道面內的非保守力兩分量示意圖。(其中O是軌道橢圓的焦點，f是真近點角，fr, fa, fh是攝動是力的三個分量，前兩個分量是在軌道面內，第一個分量是徑向分量，第二個分量與第一個垂直且指向衛星運動方向，第三個分量與前兩個分量構成右手系)。
[0012]圖4為發明技術的實施步驟的示意框圖。
【具體實施方式】
[0013]現結合實施例對本發明作進一步描述。
[0014]本實施例的定軌軌道改進技術包括五部分:中間變量對時間導數的推導，奇點與否的判斷，組成無奇點的衛星受攝運動方程，利用中值定理積分求解受攝運動方程，根據衛星觀測進行擬合平差濾波確定軌道和對軌道進行改進，根據發明權利登記號201310545077.2所述也獲得保守力位作用下的軌道解或改進，本發明與發明權利登記號201310545077.2所述的技術聯在一起，組成全部的無奇點基礎的知識。
[0015]中間變量對時間偏導數的求法原理與高等數學中微分方法原理相同。
[0016]分別求得非保守力攝動相對於六個中間變量的時間導數。
[0017]分別對非保守力攝動相對於克卜勒軌道根數軌道面傾角和軌道橢圓扁率的時間導數作出是否奇異的判斷。
[0018]分別對衛星軌道是否為圓形軌道或赤道軌道作出判斷。
[0019]由上述實施例可以看出，非保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術，主要利用無奇點理論，依據攝動位對軌道根數的偏導數的推導及其是否奇異的判斷，決定如何組成無奇點的運動方程，從而整個問題沒有奇點，可以積分獲得理論描述，從而可以根據觀測，通過擬合平差濾波確定衛星軌道。
[0020]由於不需要數值積分，所以不需要積分器，使得計算量大幅度減低，從而使得本發明在星上的實時應用成為可能。
[0021]利用本發明進行衛星定軌和軌道改進可以實現北鬥系統的自主能力，減少對地面控制站的依賴，從而提高北鬥系統在實戰中的生存能力，從而提高北鬥應用的範圍，並具有計算簡單、精度高，成本降低等優點。
[0022]可見，利用非保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術可以使導航衛星系統的作用精度有很大的提高。
[0023]利用本發明可以解決非保守力作用下的衛星定軌和軌道改進，利用發明權利登記號201310545077.2所發明的保守位力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術，可獲得在保守力位作用下軌道確定或軌道改進的結果。
[0024]綜合上述所獲結果，即本發明與發明權利登記號201310545077.2所述發明保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術的聯合應用，構成了一個完整的無奇點軌道確定改進技術。
【權利要求】
1.非保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1:通過非保守力函數，定義和求取六個中間軌道變量之一的時間導數，即
2.根據權利要求1所述，其特徵在於:根據根據非保守力函數和定義(1-6)求取六個中間變量(克卜勒根數加下標I)的時間導數(步驟1-6)。
3.根據權利要求1所述，其特徵在於:根據(3，5)兩式以及初始軌道根數對奇異情況作出判斷(步驟7-10)。
4.根據權利要求1所述，其特徵在於:根據判據獲得非保守力下的無奇點運動方程(步驟 11-16)。
5.根據權利要求1所述，其特徵在於:根據積分中值定理獲得非保守力作用下無奇點的運動方程的理論解表達式(步驟17)。
6.根據權利要求1所述，其特徵在於:根據對衛星的觀測數據擬合平差濾波獲得確定的非保守力下的軌道或軌道改進(步驟18)。
7.根據發明權利登記號201310545077.2所發明的保守力位作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術，其特徵在於:可獲得在保守力位作用下軌道確定或軌道改進的結果(步驟19)。
8.根據權利要求1所述，根據發明權利登記號201310545077.2所發明的保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術，其特徵在於:綜合上述步驟18和步驟19所獲得的結果，即本發明與發明權利登記號201310545077.2所發明的保守力作用下的導航衛星軌道確定改進的無奇點技術的聯合應用，構成了一個完整的無奇點軌道確定改進技術(步驟 20)。
【文檔編號】G01S19/01GK103744089SQ201310579068
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】許國昌, 許佳, 曲雲英, 李忠華, 李鵬 申請人:福建納威導航科技有限責任公司