一种分布式星历计算方法
阅读说明：本技术 一种分布式星历计算方法 (Distributed ephemeris calculation method ) 是由 曾纪 欧斌 叶荣飞 阳旭 文小琴 唐玲 骆希 王富强 周继华 于 2020-05-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种分布式星历计算方法,卫星信关站根据轨道六参数计算卫星摄动加速度,并根据受摄运动方程和数值积分方法计算得到星历预计算中间结果,进而在空口广播的帧信息中重复发送以避免差错,卫星用户站接收星历预计算中间结果,通过插值运算,得到高精度卫星星历,再计算出多普勒频偏及传输时延等通信结果。本发明公开的分布式星历计算方法降低卫星用户站的计算复杂度,为低轨卫星通信系统提供基于星历计算的通信结果。(The invention discloses a distributed ephemeris calculation method, wherein a satellite gateway station calculates satellite perturbation acceleration according to six orbital parameters, calculates an ephemeris precomputation intermediate result according to a perturbation motion equation and a numerical integration method, and then repeatedly sends the ephemeris precomputation intermediate result in frame information broadcast at an air interface to avoid errors, a satellite user station receives the ephemeris precomputation intermediate result, obtains a high-precision satellite ephemeris through interpolation operation, and calculates communication results such as Doppler frequency deviation, transmission delay and the like. The distributed ephemeris calculation method disclosed by the invention reduces the calculation complexity of the satellite user station and provides a communication result based on ephemeris calculation for a low-orbit satellite communication system.)
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，更具体的说是涉及一种分布式星历计算 方法。
背景技术
根据卫星轨道高度的不同，卫星移动通信系统可分为静止轨道 (GeostationaryOrbit,GEO)、中轨道(Medium Earth Orbit,MEO)和低轨道(Low Earth orbit,LEO)这三种。其中LEO系统的轨道高度低，重量轻，研发周期短， 研发成本低，同时具有传输时延短、链路损耗小、避开了GEO轨道的拥挤等 优点，近年来已成为全球卫星通信领域的研究热点。
处于高速运动状态的低轨卫星相对于地面接收机总是存在一个径向的速 度分量，引起星地信号的多普勒频移和传输时延变化。由星历信息推导出卫 星的位置与速度矢量，根据地面接收机的经纬高等参数建立多普勒频移与时 延计算模型，可为星地信号的快速捕获和同步提高先验信息。
卫星的瞬时轨道参数定义在J2000历元平天球坐标系下，而地面接收机的 位置速度通常定义在协议地球坐标系下，WGS-84是目前常用的一种ECEF坐 标系，也是一种协议(平)地球坐标系。通常情况下，地面接收机难以直接 计算卫星在ECEF坐标系下的位置和速度矢量，故需要将卫星的参数从J2000 坐标系转换到WGS-84坐标系。
若卫星用户站根据卫星的瞬时轨道参数，独立完成高精度的星历计算， 再结合其位置计算出多普勒频偏及传输时延等，则需要具有强大的计算能力， 而一般卫星用户站受制于移动性、小型化甚至微型化的需求，其芯片在完成 信号处理、射频天线组合等后，再将宝贵的计算资源用于上述计算，显然是 不经济的。
因此，如何在卫星用户站运算资源和运算时间受限的情况下，实现高精 度的星历计算是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种分布式星历计算方法，既克服了传统的卫 星星历计算集中于卫星用户站，导致星历精度不够的问题，又降低了卫星用 户站的计算复杂度，还得到较大时间范围内的星历。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分布式星历计算方法，包括：
步骤1：卫星信关站根据轨道六参数计算卫星在J2000坐标系下当前时刻 的位置和速度，并根据摄动模型，计算卫星摄动加速度；
步骤2：卫星信关站根据卫星摄动加速度、运动方程和RKF数值积分方 法得到卫星在粗粒度时间系、J2000坐标系下其他时刻的星历预计算中间结 果；
步骤3：卫星信关站将星历预计算中间结果从J2000坐标系下转换到 WGS-84坐标系下，并在粗粒度时间间隔内的空口广播帧信息中重复发送转化 后的星历预计算中间结果；
步骤4：卫星用户站接收转化后的星历预计算中间结果，利用插值算法进 行插值，得到细粒度时间系下的卫星星历计算结果；
步骤5：卫星用户站根据细粒度时间系下的卫星星历计算结果和当前卫星 用户站所在的经纬度，计算卫星对应的WGS-84坐标位置，并计算出多普勒 频偏和传输时延。
优选的，在步骤2中，卫星信关站根据受摄运动方程和RKF数值积分方 法得到卫星在粗粒度时间系、J2000坐标系下其他时刻的星历预计算中间结 果。
优选的，在步骤3中，卫星信关站采用卫星矢量的表示方式进行空口广 播发送。
优选的，在步骤4中，采用三阶样条差值算法进行插值。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种分 布式星历计算方法，卫星信关站根据轨道六参数计算卫星摄动加速度，并根 据受摄运动方程和数值积分方法计算得到星历预计算中间结果，进而在空口 广播的帧信息中重复发送以避免差错，卫星用户站接收星历预计算中间结果， 通过插值运算，得到高精度卫星星历，再计算出多普勒频偏及传输时延等通 信结果。
本发明提供的分布式星历计算方法在卫星用户站运算资源和运算时间受 限的情况下，估计精度和范围相对传统方法有明显提升，实现简单、效果好。 该方法既克服了传统的卫星星历计算集中于卫星用户站，导致星历精度不够 的问题，又降低了卫星用户站的计算复杂度，还得到较大时间范围内的星历。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的卫星轨道六参数的示意图；
图2为本发明提供的卫星信关站和卫星用户站之间的通信拓扑图；
图3为本发明提供的卫星信关站的基本处理流程；
图4为本发明提供的坐标转化的流程；
图5为本发明提供的卫星用户站的基本处理流程；
图6为本发明提供的卫星用户站用三阶样条插值得到的卫星WGS84坐标 系的位置与实际位置的误差结果图；
图7为本发明提供的卫星用户站计算的一段时间内的多普勒频偏和传输 时延，并与STK结果进行误差分析的结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了克服传统卫星星历的计算量集中于卫星用户站，消耗卫星用户站宝 贵计算资源的技术缺陷，本发明提出了一种分布式星历计算方法，即卫星信 关站发送便于计算的星历结果格式，卫星用户站通过接收的星历格式进行插 值运算，降低卫星用户站的计算复杂度，为低轨卫星通信系统提供基于星历 计算的通信结果。该方法原理简单、精确度高、运算速度快、易于工程实现。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步论述。
图1给出了本发明提供的卫星轨道六参数的示意图，它包含了一组描述 卫星运动的参数，或称开普勒轨道参数，开普勒轨道参数是定义在地心惯性 (ECI)坐标系的，如图1所示。
具体的参数定义如下：
1.as——轨道椭圆的长半径
2.es——轨道椭圆的偏心率
以上两个参数，确定了开普勒椭圆的形状和大小。
3.i——轨道面的倾角，即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。
4.Ω——升交点赤经，即在地球赤道平面上，升交点与春分点之间的地 心夹角。所谓升交点，是指当卫星由南向北运行时，其轨道与地球赤道的一 个交点。
以上两个参数，唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的夹角。
5.ωs——近地点角距，即在轨道平面，升交点与近地点之间的地心夹角。 在椭圆轨道上，卫星离地球质心(简称地心)最远的一点称为远地点，而离 地心最近的一点称为近地点，它们在惯性空间的位置是固定不变的。
这一参数表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。
6.fs——卫星的真近点角，即在轨道平面上，卫星与近地点之间的地心 角距。该参数为时间的函数，它确定了卫星在轨道上的瞬时位置。
上述六个参数构成轨道坐标系，它广泛地用于描述卫星的运动。在该系 统中，当6个轨道参数一经确定后，卫星在任一瞬间相对于地球体的空间位 置及其速度，便能唯一地确定。
图2示出了本发明提供的卫星信关站和卫星用户站之间的通信拓扑图， 低轨卫星与卫星信关站、卫星用户站保持着通信，卫星信关站提前进行高精 度的轨道预测和坐标系变换，然后将粗粒度时间系下的数据通过空口广播发 送给卫星用户站。卫星用户站再利用插值算法，插值得到细粒度时间下的卫 星位置及速度。最后，结合卫星用户站所处的经纬度位置，估计出多普勒频 偏和传输时延等通信结果。
卫星信关站采用高精度的轨道预测模型，预测间隔为粗粒度时间系，其 中粗粒度时间可调整，然后再进行坐标系转换，减少卫星用户站的运算量。 卫星信关站的基本流程如图3所示。
(1)卫星信关站根据轨道六参数(as,e,Ω,i,ωs,fs)计算卫星在J2000坐标系 下当前时刻的位置矢量
其中，r为卫星到地心的距离，单位矢量
G为万有引力常数，M为地球质量。
(2)由一组初始值数值积分卫星运动方程，推出其他时刻的卫星的位置 矢量和速度矢量。
其中，卫星的运动方程在J2000坐标系中的分量形式表示为：
其中，f＝(fx,fy,fz)分别为三轴摄动加速度，r为卫星到地心的距离；μ 为万有引力与地球质量之积，x,y,z,vx,vy,vz为卫星在当前时刻的J2000位置和 速度，作为数值积分的初值。
通过对卫星的运动方程组进行数值积分，即可预测出卫星在粗粒度时间 系、J2000坐标系下其他时刻的位置矢量和速度矢量。
这里需要说明的是，该步骤中涉及到的卫星运动方程的求解属于现有技 术，具体方法这里不做具体描述。
(3)J2000坐标系属于历元平天球坐标系，而卫星用户站通常定义在协 议地球坐标系下，WGS-84是目前常用的一种ECEF坐标系，也是一种协议(平) 地球坐标系，因此，需要将J2000坐标系转换到WGS-84坐标系，通用的转 换过程如图4所示。
(4)卫星信关站空口广播星历预计算中间结果，空口广播的预计算中间 结果格式不采用原始六根数的表示方式，而采用卫星矢量(卫星位置X/Y/Z、 卫星速度矢量vx/vy/vz)的表示方式；每个相邻的粗粒度时间间隔发送的数 据可能是不同的，但在同一粗粒度时间间隔内发送的数据相同且重复发送； 广播空口帧结构对齐至GPS标准时间的秒脉冲。
卫星信关站空口广播单元、星历计算单元时间由外部GPS统一授时获得， 保证单元间同步。
(5)卫星用户站接收来自卫星信关站的高精度轨道预测结果，通过插值 得到更精确的卫星位置及速度，再结合用户站的位置，估计出多普勒频偏和 传输时延等通信结果。用户站的基本流程如图5所示。
具体的，利用三次样条插值函数公式，将步进为粗粒度时间的卫星信关 站轨道预测结果转化为步进为细粒度时间的卫星用户站所需的轨道结果。
最终计算多普勒频移和传输延时：卫星用户站在此时刻接收到信号的多 普勒频移可以表示为：
其中，f0是信号载波频率，c是光速，v表示卫星与用户站的相对运动速 度，vx,vy,vz为相对速度在三个方向上的投影分量。β是v与卫星和用户站之间 连线的夹角，βx,βy,βz为相对速度在三个方向上的投影分量与径向矢量之间的 夹角。
R是卫星与用户站之间的连线，即卫星相对于用户站的位置矢量，可以表 示为：
其中X,Y,Z是卫星位置，x,y,z是用户站位置。
传输时延可以表示为：
图6是卫星用户站用三阶样条插值得到的卫星WGS84坐标系的位置与实 际位置的误差，根据轨道预测误差的分析，该误差主要是轨道预测时引入的 误差，该误差能够满足设计需要。图7是卫星用户站计算的一段时间内的多 普勒频偏和传输时延，并与STK结果进行了误差分析。从图6、图7中可以 看出，本发明得到的卫星位置以及基于卫星位置进行的通信计算误差均较小， 属于卫星通信系统可以接收的范围内，但卫星用户站的计算资源得到了大幅 度的优化。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述 的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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