基于广播星历参数外推的卫星轨道中长期预报方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于广播星历参数外推的卫星轨道中长期预报方法和系统。所述方法包括：利用广播星历数据，选取一定时长的广播星历参数建立ARMA模型和滑动窗模型；运用ARMA模型和滑动窗模型联合进行未来一定时长内的广播星历参数预报；根据未来一定时长内的某时刻广播星历参数预报值解算出该时刻的卫星轨道坐标。实现所述方法的系统，能够简便有效的进行卫星轨道坐标预报，以GPS卫星PRN02为例进行25天的卫星轨道预报误差控制在150米以内，能够取得较为理想的预报效果。

说明书

技术领域

    本发明涉及卫星导航系统中卫星轨道中长期预报技术领域，具体涉及一种基于广播星历参数外推的卫星轨道中长期预报方法和系统。

背景技术

当前GNSS全球卫星导航系统，卫星轨道等信息均是通过地面测定轨系统解算后将短期预报结果注入卫星的。为了防止战时地面设施被摧毁，增强系统的生存能力，美国早在1984年就提出了自主导航的概念，通过星间链路、精密测距实现星上自主定轨，该技术已在BLOCK IIR及后续卫星得到应用，正在建设中的GALILEO与升级中的GLONASS也采用了这一技术。

自主导航需要地面预报一定时长的卫星轨道数据上传至卫星。传统的轨道预报方法是通过对卫星进行动力学建模来实现轨道预报的，如光压模型，神经网络混合模型，加入经验力模型等。这些模型对短期预报是非常有效的，但应用于轨道中长期预报，轨道预报质量随时间延长迅速变差，自主导航中的轨道中长期预报需要探索新的方法。美国提出的自主导航定轨是基于星间测距来实现的，定轨的精度取决于力学模型准确度和星间测距精度。由于卫星的受力模型非常复杂，精确建立卫星受力模型涉及到天文学、地球动力学、卫星学科以及与之相关的各种交叉学科理论和技术。

发明内容

为了探索更为简便有效的轨道预报方法，对广播星历轨道参数逐一进行了长期分析，发现其变化具有很强的规律性，基于这些周期性和趋势性的变化特点，本发明提供一种基于卫星广播星历参数外推的中长期轨道预报方法和系统。

本发明的技术方案：

    一种基于广播星历参数外推的卫星轨道中长期预报方法，包括：

    利用广播星历数据，选取一定时长的广播星历参数建立ARMA模型；

    运用ARMA模型进行未来一定时长内的广播星历参数预报；

    根据未来一定时长内的某时刻广播星历参数预报值解算出该时刻的本卫星轨道坐标。

    一种基于广播星历参数外推的卫星轨道中长期预报方法，包括：

    利用广播星历数据，选取一定时长的广播星历参数建立ARMA模型和滑动窗模型；

    运用ARMA模型和滑动窗模型联合进行未来一定时长内的广播星历参数预报；

    根据未来一定时长内的某时刻广播星历参数预报值解算出该时刻的本卫星轨道坐标。

    所述的ARMA模型用于预报                                               、、、、、、、、和参数，所述的滑动窗模型用于预报和参数。

所述的广播星历数据采用IGS提供的广播星历数据。

    一种基于广播星历参数外推的卫星轨道中长期预报系统，包括：

    利用广播星历数据，选取一定时长的广播星历参数建立ARMA模型和滑动窗模型的装置；

    运用ARMA模型或者ARMA模型和滑动窗模型的联合来进行未来一定时长内的广播星历参数预报的装置；

    根据未来一定时长内的某时刻广播星历参数预报值解算出该时刻的本卫星轨道坐标的装置。

本发明的有益效果：

（1）本发明不涉及卫星的复杂动力学模型，而是充分利用了其比较成熟的历史轨道观测资料，是一种简单有效的轨道预报方法，以GPS卫星PRN02为例采用该方法进行25天的卫星轨道预报误差控制在150米以内，取得了较为理想的预报效果。

（2）本发明仅需对轨道参数进行分析，避开其他未知因素的影响，简单有效的代替了自主定轨方法中普遍存在的通过复杂动力学建模进行卫星轨道预报的过程。

附图说明

图1描述了卫星轨道参数()的变化情况。

图2描述了ARMA模型预报轨道参数的处理过程。

图3为滑动窗模型平滑预报示意图。

图4为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图5为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图6为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图7为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图8为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图9为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图10为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图11为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图12为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

    图13为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图14为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

图15为卫星轨道参数（）25天的预测效果仿真图。

具体实施方式

 GPS广播星历参数每两个小时播发一次。通过对卫星广播星历各轨道参数参数进行大量统计分析，发现其均具有很强周期性和趋势性。卫星任意时刻的位置坐标均有播发时刻即参考时刻为基准计算得到，参考时刻卫星位置的解算精度决定了卫星整个运动过程中的位置解算精度。根据基于广播星历的卫星轨道解算方程可知，卫星参考时刻的位置解算仅需，，，，, ,, , , , , 等12个轨道参数值。

 采用从IGS官方网站上发布的广播星历数据，选取2012年9月22日-2012年10月31日40天的数据进行建模，来预报未来25天的卫星轨道变化。并将模型预报值与2012年11月1日-2012年11月25日25天的卫星轨道参数进行对比分析来验证ARMA模型的预报精度。广播星历数据每2小时发布一次，所以数据的间隔为2h。即建模的数据长度为480个历元，预报的数据长度为300历元。

图1给出了轨道参数sqrt(A)短期(5天)和长期(100)天的变化趋势，图2和图3分别给出了进行ARMA模型预报的处理流程和进行滑动窗预报的示意图。图4至图15分别给出了开普勒轨道参数和摄动参数的模型预报结果，在直观上反映了模型对轨道参数的预报好坏。

    表1给出了各轨道参数的量纲；表2给出了不同预报时长下各参数的预报误差；表3给出了不同预报时长下各参数的预报误差对轨道位置的影响(单位/米)。     

表1. 各参数的单位

开普勒轨道根数单位摄动参数单位sqrt(A)sqrt(m)radiansdimensionlessradiansradiansmetersradiansmetersradiansradiansradiansradians

表2. 不同预报时长下各参数的预报误差

轨道参数1天(RMS)7天(RMS)15天(RMS)25天(RMS)Sqrt(A)0.00098170.0011074160.0011549120.0011703522.90E-082.05E-074.44E-071.25E-062.00E-076.07E-071.23E-066.52E-069.03E-072.70E-064.15E-066.06E-06000000001.89E-071.15E-079.36E-088.20E-082.32E-081.42E-081.62E-082.58E-084.36361054812.7601349911.269380019.8495036082.5024293763.3634720685.3275431526.854314842.29E-072.62E-074.08E-075.28E-071.09E-075.92E-076.72E-075.56E-07

表3. 不同预报时长下各参数的预报误差对轨道位置的影响(单位/米)

轨道参数1d (RMS)7d (RMS)15d (RMS)25d (RMS)Sqrt(A)10.064111.352911.839811.99811.40719.946921.543560.65173.345610.153920.5755109.066823.854971.327109.6323160.0895000000000.62620.3810.31010.27170.38040.23280.26560.4230.86432.52752.23221.9512.45283.29685.2226.71851.19831.3712.13492.76282.822415.329217.400714.397共同作用结果21.184348.849376.5647142.1994

如表2和表3所示，开普勒轨道根数看似很小的参数预报误差将会导致卫星轨道很大的偏差。摄动参数的影响一般在几米到十几米范围内，对轨道误差的影响较小。开普勒参数sqrt(A)的预报误差影响因子相对其他几个轨道根数较小，在10米左右。由于轨道参数和可以完全控制在预报之内，因此对轨道参数的预报其实关键的是对轨道根数、和的预报，对其预报精度直接决定了卫星轨道的预报精度。如表2给出了在1天、7天、15天和25天等不同预报时长下各个轨道参数的预报误差值，表3对应于表2，给出了在1天、7天、15天和25天等不同预报时长下各参数的预报误差单独影响所带来的轨道误差以及所有参数误差综合作用带来的轨道误差。由表3可以看出，采用相关预报模型对卫星广播星历参数进行预报，并在预报的基础上解算出卫星的轨道坐标，1天的轨道预报精度在20米左右，25天也可以控制在150米以内，取得了较为理想的预报效果。由于广播星历参数本身含有一定的误差，广播星历解算得到的卫星轨道与IGS精密星历有着几米的误差，所以基于轨道参数预报的卫星轨道预报存在一定的误差是可以理解的。同时由表3还可以看出，轨道根数单独的预报误差所导致的卫星轨道误差要大于各轨道参数误差共同作用所带来的误差，这说明卫星的位置坐标精度是由各参数共同作用的结果但不是各参数误差带来的位置误差的叠加。