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CN119126170A - 星历数据时延的星间指向在轨计算方法及系统 - Google Patents

星历数据时延的星间指向在轨计算方法及系统 Download PDF

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CN119126170A
CN119126170A CN202411145131.9A CN202411145131A CN119126170A CN 119126170 A CN119126170 A CN 119126170A CN 202411145131 A CN202411145131 A CN 202411145131A CN 119126170 A CN119126170 A CN 119126170A
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inter
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ephemeris data
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CN202411145131.9A
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凌惠祥
李卓
郑峰
曾齐
沈昱昊
张波
赵训友
舒锐
江亚州
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Shanghai Institute of Satellite Engineering
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Shanghai Institute of Satellite Engineering
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Abstract

本发明提供了一种星历数据时延的星间指向在轨计算方法及系统，包括：数据求解步骤：使用数值积分算法对星历数据和星间相对定位数据求解，得到本星在当前星上时刻的位置和速度；坐标系转换步骤：将得到的星上时刻的位置和速度进行坐标系转换，得到星间指向矢量。本发明利用的星历数据与星间相对定位数据本身具有较高的定位精度，即使在轨道姿态数据存在时延的情况下，通过数值积分递推与坐标系转换即可得到较高精度的星间指向矢量，在轨计算步骤简便，有效降低了星间链路通信中断的风险；可用于编队卫星的星间指向计算，通过数值积分递推解决星历数据的时延问题，对星间通信链路工作的连续稳定性提高有着重要的意义。

Description

星历数据时延的星间指向在轨计算方法及系统
技术领域
本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及一种星历数据时延的星间指向在轨计算方法及系统。
背景技术
随着卫星任务复杂度的增加，越来越多的编队飞行卫星投入使用，为了星间协同工作，需要在卫星之间建立星间通信链路，准确掌握它星相对于本星星间通信天线的方位关系成为星间通信链路能否连续稳定运行的关键。
绕飞编队卫星对星间通信链路的全时性、全向性提出了更高的要求，由于卫星布局的限制，单一天线势必存在干涉区域，难以形成全向，需要布局多个天线，使其视场拼接形成全向星间通信天线阵组，各视场间留有一定重叠范围，通过切换选择不同的星间通信天线来实现绕飞编队卫星任意时刻均可建立连续稳定的星间通信链路。
为了能够准确选择相应的星间通信天线，需要得到它星相对本星的相对方位信息。传统的利用地面上注卫星轨道参数计算星间指向的方法，在相对上注参数时间较长后，得到的卫星轨道位置精度较差，若要提高轨道递推精度则势必要增加星上计算软件的复杂度，对卫星稳定运行的可靠性有所影响：
专利文献CN114741647A公开了一种异轨星间建链指向的矢量计算方法，但是需要已知它星在惯性系中的位置矢量，对于导航精度与星间编队距离而言，计算误差较大。
专利文献CN113472421B公开了一种基于拉格朗日插值的低轨网联卫星星间波束指向方法，介绍了一种星间波束指向方法，需要读取两星的轨道参数并插值计算，当时间相对于轨道上注时刻较长后，精度较差，对地面上注的依赖性太强。
专利文献CN116252968A公开了一种无跟瞄条件下的相对指向跟踪控制方法，介绍了一种相对指向的计算及拟合外推方法，但轨道递推精度将直接影响指向计算的精度，不适用于本发明所涉及的高精度场景。
专利文献CN117254847A公开了一种低轨卫星终端快速搜星方法及装置，介绍了一种卫星终端与卫星之间的天线指向信息计算方法，但也需要利用卫星星历信息来进行递推，不适用于本发明所涉及的高精度场景。
专利文献CN114002710A公开了一种小偏心率低轨卫星的星上轨道位置自主预报方法，介绍了一种星上轨道递推方法，但长时间的递推精度还是低于卫星导航定位精度，没有将星上的高精度数据进行有效利用。
随着星载导航定位系统的发展，通过导航得到的卫星定位精度有所提高，但对于编队卫星任务而言，采用差分技术对编队卫星星间定位的精度更高，需要利用好这些信息，对星间指向在轨计算问题的解决带来新的突破。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星历数据时延的星间指向在轨计算方法及系统。
根据本发明提供的一种星历数据时延的星间指向在轨计算方法，包括：
数据求解步骤：使用数值积分算法对星历数据和星间相对定位数据求解，得到本星在当前星上时刻的位置和速度；
坐标系转换步骤：将得到的星上时刻的位置和速度进行坐标系转换，得到星间指向矢量。
优选的，所述数据求解步骤包括：
步骤S1.0：根据星上最新一拍的星历数据，通过计算得到本星在星历数据时刻惯性系下的位置和速度矢量；
步骤S1.1：通过数值积分算法对由星历数据得到的位置速度进行递推，求解出本星在当前星上时刻惯性系下的位置和速度。
优选的，所述坐标系转换步骤包括：
步骤S2.1：根据当前星上时刻，计算得到惯性系与地固系的近似转换矩阵，将星间导航系统输出的地固系下的星间相对位置矢量转换到惯性系；
步骤S2.2：根据本星在惯性系下的位置和速度矢量，计算轨道系与惯性系的转换矩阵，将星间相对位置矢量从惯性系转换到轨道系；
步骤S2.3：计算本星本体系下的星间指向矢量。
优选的，所述步骤S2.3包括将星历数据时刻的姿态角与姿态角速度，通过线性化预估得到当前星上时刻的姿态角，按相应欧拉角转序计算轨道系与本体系的转换矩阵，补偿星间通信天线安装位置相对于卫星质心的偏差后，得到本体系下的星间指向矢量。
优选的，将求解后的数据通过星历表形式更新在数据总线上；所述数据求解步骤中，星历的轨道姿态数据相对于卫星当前时刻无时延。
根据本发明提供的一种星历数据时延的星间指向在轨计算系统，包括：
数据求解模块：使用数值积分算法对星历数据和星间相对定位数据求解，得到本星在当前星上时刻的位置和速度；
坐标系转换模块：将得到的星上时刻的位置和速度进行坐标系转换，得到星间指向矢量。
优选的，所述数据求解模块包括：
模块M1.0：根据星上最新一拍的星历数据，通过计算得到本星在星历数据时刻惯性系下的位置和速度矢量；
模块M1.1：通过数值积分算法对由星历数据得到的位置速度进行递推，求解出本星在当前星上时刻惯性系下的位置和速度。
优选的，所述坐标系转换模块包括：
模块M2.1：根据当前星上时刻，计算得到惯性系与地固系的近似转换矩阵，将星间导航系统输出的地固系下的星间相对位置矢量转换到惯性系；
模块M2.2：根据本星在惯性系下的位置和速度矢量，计算轨道系与惯性系的转换矩阵，将星间相对位置矢量从惯性系转换到轨道系；
模块M2.3：计算本星本体系下的星间指向矢量。
优选的，所述模块M2.3包括将星历数据时刻的姿态角与姿态角速度，通过线性化预估得到当前星上时刻的姿态角，按相应欧拉角转序计算轨道系与本体系的转换矩阵，补偿星间通信天线安装位置相对于卫星质心的偏差后，得到本体系下的星间指向矢量。
优选的，将求解后的数据通过星历表形式更新在数据总线上；所述数据求解模块中，星历的轨道姿态数据相对于卫星当前时刻无时延。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出的方法充分利用了处理后的导航定位数据，一般通过星历表形式更新在数据总线上，而星间通信天线视场重叠保证了高精度的星间相对位置信息可以作为输入，通过坐标转换得到本星本体系下的星间指向矢量。
2、本发明考虑了星历数据更新时延的情况，通过数值积分来得到当前星上时刻的位置与姿态信息，保证了星间指向算法的精度，且在轨计算步骤简便，有效降低了星间链路通信中断的风险。
3、本发明可用于编队卫星的星间指向计算，通过数值积分递推解决星历数据的时延问题，对星间通信链路工作的连续稳定性提高有着重要的意义。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，一种星历数据时延的星间指向在轨计算方法，包括：
步骤1：计算本星在星历数据时刻惯性系下的位置和速度；
通过星历中的轨道根数计算得到本星在惯性系下的位置和速度矢量。
步骤2：计算本星在当前时刻惯性系下的位置和速度；
由于星历数据更新相对于当前星上时刻存在时延，需要通过数值积分算法对由星历数据得到的位置速度进行递推，求解出本星在当前星上时刻的位置速度。
步骤3：计算惯性系下的星间相对位置；
由星间测量得到的它星相对位置一般表示在地固系下，可以根据当前星上时刻，采用简化公式计算得到惯性系与地固系的近似转换矩阵，将地固系下的星间相对位置转换到惯性系。
步骤4：计算本星轨道系下的星间相对位置；
根据本星当前时刻的位置速度矢量，计算惯性系与轨道系的转换矩阵，将惯性系下的星间相对位置转换到本星轨道系。
步骤5：计算本星本体系下的星间指向矢量；
将星历数据时刻的姿态角与姿态角速度，通过线性化预估得到当前星上时刻的姿态角，按相应欧拉角转序计算轨道系与本体系的转换矩阵，补偿星间通信天线安装位置相对于卫星质心的偏差之后得到本体系下的星间指向矢量。
本发明提出的方法充分利用了处理后的导航定位数据，一般通过星历表形式更新在数据总线上，而星间通信天线视场重叠保证了高精度的星间相对位置信息可以作为输入，通过坐标转换得到本星本体系下的星间指向矢量；本发明还考虑了星历数据更新时延的情况，通过数值积分来得到当前星上时刻的位置与姿态信息，保证了星间指向算法的精度，且在轨计算步骤简便，有效降低了星间链路通信中断的风险。
以上为本发明的基础实施例，下面通过一个优选实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
参照图1所示，一种星历数据时延的星间指向在轨计算方法，包括：
1.计算本星在星历数据时刻惯性系下的位置和速度；
卫星的星历表中一般会不断地更新卫星的轨道根数，但是相对于当前星上时刻，星历表中的数据是过去某时刻的结果，存在一定时间的延后，可以通过这些轨道根数计算卫星在该数据对应时刻的位置和速度。
星历表中的轨道根数可以有多种形式，由各种形式轨道根数转换成惯性系下位置速度的算法相对来说比较成熟，这里以星历数据时刻tz的J2000.0惯性系下的轨道瞬根(轨道半长轴as、偏心率es、轨道倾角is、升交点赤经Ωs、近地点幅角ωs、真近点角fs)为例，计算惯性系下位置和速度的公式如下：
其中，μ为地球引力常数，hs为角动量，rp、vp分别为近焦点坐标系下的位置和速度矢量，Q为近焦点坐标系到惯性系的转换矩阵，以α为自变量的旋转矩阵函数RX(α)、RZ(α)表达式分别为：
2.计算本星在当前时刻惯性系下的位置和速度
由于星历数据更新相对于当前星上时刻存在时延(即星历数据时刻tz小于当前星上时刻tx)，需要通过数值积分算法对由星历数据得到的位置和速度进行递推，求解出本星在当前星上时刻的位置和速度
算法如下：
积分步长h＝tx-tz，积分初值为
采用如下数值计算公式
其中，微分方程组f(p)为6×1列向量，p为k1～k4中括号内的项，令f(p)简化近似表达式为：
式中Re为地球赤道半径，J2为地球非球形引力摄动项的第2阶带谐项系数。输出结果为：
3.计算惯性系下的星间相对位置：
由星间测量得到的它星相对位置一般表示在地固系下，可以根据当前星上时刻tx，采用简化公式计算得到惯性系与地固系的近似转换矩阵，将地固系下的星间相对位置转换为惯性系下的星间相对位置
令MECF2ECI为地固系(WGS84坐标系)到J2000.0惯性系转换矩阵，则：
其中，MECI2ECF为J2000.0惯性系到WGS84坐标系的转换矩阵，表达式为：
MECI2ECF＝EP·ER·NR·PR；
其中，EP为极移矩阵，简化为3×3单位阵；ER为地球自转矩阵，NR为章动矩阵，PR为岁差矩阵。它们分别按下列各式计算：
ER＝RZ(SG)；
NR＝RX(-(ε+Δε))RZ(-Δψ)RX(ε)；
PR＝RZ(-ZA)RY(θA)RZ(-ζA)；
旋转矩阵函数RY为
各项计算如下：
1、ζA，θA，ZA
将相对历元J2000.0(2000年1月1日12时)积秒形式的星上当前时刻tx转化为对应动力学时TDT的儒略世纪数形式：
其中，tm为累积的跳秒数，岁差常数ζA，θA，ZA的计算如下：
(2)Δε，ε，Δψ
黄经章动Δψ、黄赤交角ε和交角章动Δε分别为：
其中Ωm＝(125.044555555556-1934.136185×TTDT)×d2r。
(3)SG
格林尼治真恒星时SG为：
其中为格林尼治平恒星时，赤经章动Δμ＝Δψcosε。
计算需用当前时刻tx对应的UT1时间的儒略世纪数形式
4.计算本星轨道系下的星间相对位置
根据本星当前时刻的位置速度矢量计算惯性系与轨道系的转换矩阵Morb2ECI，将惯性系下的星间相对位置转换为本星轨道系下的星间相对位置
卫星轨道系到J2000.0惯性系的坐标转换矩阵Morb2ECI为：
其中，均为3×1列向量。||Xa||表示Xa的模。
卫星轨道坐标系下的相对位置为：
5.计算本星本体系下的星间指向矢量
由于轮控状态下卫星的姿态角速度较低，递推时间较短，可线性化预估，将星历数据时刻的姿态角(滚动角俯仰角θ0、偏航角ψ0)与姿态角速度(滚动角速度俯仰角速度偏航角速度)，通过线性化预估得到当前星上时刻的姿态角(滚动角俯仰角θ、偏航角ψ)：
按相应欧拉角转序计算卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵Morb2body，这里以3-1-2转序为例
卫星本体坐标系下的星间通信天线安装位置为Raz，则星间指向矢量为
本发明还提供一种星历数据时延的星间指向在轨计算系统，所述星历数据时延的星间指向在轨计算系统可以通过执行所述星历数据时延的星间指向在轨计算方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述星历数据时延的星间指向在轨计算方法理解为所述星历数据时延的星间指向在轨计算系统的优选实施方式。
具体的，一种星历数据时延的星间指向在轨计算系统，包括：
数据求解模块：使用数值积分算法对星历数据和星间相对定位数据求解，得到本星在当前星上时刻的位置和速度；
坐标系转换模块：将得到的星上时刻的位置和速度进行坐标系转换，得到星间指向矢量。
所述数据求解模块包括：
模块M1.0：根据星上最新一拍的星历数据，通过计算得到本星在星历数据时刻惯性系下的位置和速度矢量；
模块M1.1：通过数值积分算法对由星历数据得到的位置速度进行递推，求解出本星在当前星上时刻惯性系下的位置和速度。
所述坐标系转换模块包括：
模块M2.1：根据当前星上时刻，计算得到惯性系与地固系的近似转换矩阵，将星间导航系统输出的地固系下的星间相对位置矢量转换到惯性系；
模块M2.2：根据本星在惯性系下的位置和速度矢量，计算轨道系与惯性系的转换矩阵，将星间相对位置矢量从惯性系转换到轨道系；
模块M2.3：计算本星本体系下的星间指向矢量。
所述模块M2.3包括将星历数据时刻的姿态角与姿态角速度，通过线性化预估得到当前星上时刻的姿态角，按相应欧拉角转序计算轨道系与本体系的转换矩阵，补偿星间通信天线安装位置相对于卫星质心的偏差后，得到本体系下的星间指向矢量。
将求解后的数据通过星历表形式更新在数据总线上；所述数据求解模块中，星历的轨道姿态数据相对于卫星当前时刻无时延。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种星历数据时延的星间指向在轨计算方法，其特征在于，包括：
数据求解步骤：使用数值积分算法对星历数据和星间相对定位数据求解，得到本星在当前星上时刻的位置和速度；
坐标系转换步骤：将得到的星上时刻的位置和速度进行坐标系转换，得到星间指向矢量。
2.根据权利要求1所述的星历数据时延的星间指向在轨计算方法，其特征在于，所述数据求解步骤包括：
步骤S1.0：根据星上最新一拍的星历数据，通过计算得到本星在星历数据时刻惯性系下的位置和速度矢量；
步骤S1.1：通过数值积分算法对由星历数据得到的位置速度进行递推，求解出本星在当前星上时刻惯性系下的位置和速度。
3.根据权利要求2所述的星历数据时延的星间指向在轨计算方法，其特征在于，所述坐标系转换步骤包括：
步骤S2.1：根据当前星上时刻，计算得到惯性系与地固系的近似转换矩阵，将星间导航系统输出的地固系下的星间相对位置矢量转换到惯性系；
步骤S2.2：根据本星在惯性系下的位置和速度矢量，计算轨道系与惯性系的转换矩阵，将星间相对位置矢量从惯性系转换到轨道系；
步骤S2.3：计算本星本体系下的星间指向矢量。
4.根据权利要求3所述的星历数据时延的星间指向在轨计算方法，其特征在于，所述步骤S2.3包括将星历数据时刻的姿态角与姿态角速度，通过线性化预估得到当前星上时刻的姿态角，按相应欧拉角转序计算轨道系与本体系的转换矩阵，补偿星间通信天线安装位置相对于卫星质心的偏差后，得到本体系下的星间指向矢量。
5.根据权利要求1所述的星历数据时延的星间指向在轨计算方法，其特征在于，将求解后的数据通过星历表形式更新在数据总线上；所述数据求解步骤中，星历的轨道姿态数据相对于卫星当前时刻无时延。
6.一种星历数据时延的星间指向在轨计算系统，其特征在于，包括：
数据求解模块：使用数值积分算法对星历数据和星间相对定位数据求解，得到本星在当前星上时刻的位置和速度；
坐标系转换模块：将得到的星上时刻的位置和速度进行坐标系转换，得到星间指向矢量。
7.根据权利要求6所述的星历数据时延的星间指向在轨计算系统，其特征在于，所述数据求解模块包括：
模块M1.0：根据星上最新一拍的星历数据，通过计算得到本星在星历数据时刻惯性系下的位置和速度矢量；
模块M1.1：通过数值积分算法对由星历数据得到的位置速度进行递推，求解出本星在当前星上时刻惯性系下的位置和速度。
8.根据权利要求7所述的星历数据时延的星间指向在轨计算系统，其特征在于，所述坐标系转换模块包括：
模块M2.1：根据当前星上时刻，计算得到惯性系与地固系的近似转换矩阵，将星间导航系统输出的地固系下的星间相对位置矢量转换到惯性系；
模块M2.2：根据本星在惯性系下的位置和速度矢量，计算轨道系与惯性系的转换矩阵，将星间相对位置矢量从惯性系转换到轨道系；
模块M2.3：计算本星本体系下的星间指向矢量。
9.根据权利要求8所述的星历数据时延的星间指向在轨计算系统，其特征在于，所述模块M2.3包括将星历数据时刻的姿态角与姿态角速度，通过线性化预估得到当前星上时刻的姿态角，按相应欧拉角转序计算轨道系与本体系的转换矩阵，补偿星间通信天线安装位置相对于卫星质心的偏差后，得到本体系下的星间指向矢量。
10.根据权利要求6所述的星历数据时延的星间指向在轨计算系统，其特征在于，将求解后的数据通过星历表形式更新在数据总线上；所述数据求解模块中，星历的轨道姿态数据相对于卫星当前时刻无时延。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN119803526A (zh) * 2024-12-30 2025-04-11 中山大学·深圳 一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法

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CN119803526A (zh) * 2024-12-30 2025-04-11 中山大学·深圳 一种用于互联网星座的基于星间链路的卫星姿态协同标定方法

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