阅读说明：本技术 低轨卫星星历预报装置及应用方法 (Low-orbit satellite ephemeris forecasting device and application method ) 是由 何建 李国平 赵为民 旷小兵 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低轨卫星星历预报装置及其应用方法,包括：用于实现星历预报的算法处理模块,其被配置为采用CPU；用于提供时间信息的RTC模块；用于对卫星终端的位置信息以及时间信息进行获取的GPS/北斗模块；与算法处理模块、RTC模块、GPS/北斗模块通信连接的控制模块；其中,所述控制模块通过与其通信连接的接口模块与外部设备或卫星终端进行数据通信。本发明还有一个目的是提供一种低轨卫星星历预报装置,该装置位于卫星终端内,只需要将预报输入参数下发给该装置就能进行实时预报,操作简单、长时间全天候预报(不需要人为干预)。(The invention discloses a low-orbit satellite ephemeris forecasting device and an application method thereof, wherein the application method comprises the following steps: an algorithmic processing module for implementing ephemeris forecast, configured to employ a CPU; an RTC module for providing time information; the GPS/Beidou module is used for acquiring the position information and the time information of the satellite terminal; the control module is in communication connection with the algorithm processing module, the RTC module and the GPS/Beidou module; the control module is in data communication with external equipment or a satellite terminal through an interface module in communication connection with the control module. It is still another object of the present invention to provide a low-orbit satellite ephemeris forecasting device, which is located in a satellite terminal, and can perform real-time forecasting only by sending forecasting input parameters to the device, and the device is simple to operate and can perform long-time all-weather forecasting (without human intervention).)

低轨卫星星历预报装置及应用方法

技术领域

本发明涉及一种低轨卫星通信情况下使用的装置。更具体地说，本发明涉及一种用在低轨卫星通信情况下的低轨卫星星历预报装置及应用方法。

背景技术

近年来，低轨通信卫星得到了迅速发展。卫星终端是低轨卫星的重要通信对象，如果低轨卫星没有组成网络对卫星终端形成全天覆盖，那么低轨卫星的过顶预报就成为这种应用的必要条件。

过顶时间是指低轨卫星经过卫星终端头顶，能够进行通信的一段时间。在这段时间里，卫星终端处于低轨卫星天线波束覆盖范围内。过顶预报用到的轨道预报算法十分复杂。都是采用上位机软件进行过顶预报，再将预报结果下发给卫星终端。这样以来，过顶预报需要人为操作，而且容易出错，预报实时性不高。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种低轨卫星星历预报装置，该装置位于卫星终端内，只需要将预报输入参数下发给该装置就能进行实时预报，操作简单、长时间全天候预报(不需要人为干预)。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种低轨卫星星历预报装置，包括：

用于实现星历预报的算法处理模块，其被配置为采用CPU；

用于提供时间信息的RTC模块；

用于对卫星终端的位置信息以及时间信息进行获取的GPS/北斗模块；

与算法处理模块、RTC模块、GPS/北斗模块通信连接的控制模块；

其中，所述控制模块通过与其通信连接的接口模块与外部设备或卫星终端进行数据通信。

优选的是，其中，还包括与控制模块通信连接的存储模块，以及为各模块进行供电的电源管理模块。

一种应用低轨卫星星历预报装置进行星历预报的方法，包括：

步骤一，GPS/北斗模块接收卫星终端当前的第一时间信息和第一位置信息，传输给控制模块；

步骤二，控制模块在接收到第一时间信息和位置信息后，基于此第一时间信息对RTC模块中的第二时间信息进行校正，得到校正后的第三时间；

步骤三，控制模块将接收到的第一位置信息存储到存储模块中；

步骤四，当控制模块接收到接口模块输入的参数信息组后，将其转发给算法处理模块；

步骤五，算法处理模块基于接收到的参数信息组，调用RTC模块中的第三时间信息，以及存储模块中的第一位置信息，进行实时星历解算，解算的结果由控制模块存储在存储模块内，并通过接口模块发送出去，实现星历的预报。

优选的是，其中，在步骤四中，所述参数信息组被配置为包括卫星初始状态信息、卫星物理参数、外部条件参数、星历预报要求、地面站地理位置信息以及预报输出结果步长；

其中，所述卫星初始状态信息被配置为包括：UTC时间和对应的开普勒六根数；

所述卫星物理参数被配置为包括：卫星质量、大气阻力截面积、太阳光压截面积、卫星部件的阻力系数和光压系数；

所述外部条件参数被配置为包括：反映大气密度受太阳辐射影响的当前 10.7cm的太阳辐射流量、平均太阳辐射流量和反映大气密度受地磁暴影响的地磁指数；

所述星历预报要求被配置为包括：星历预报的开始时间、结束时间和星历输出间隔；

所述地理位置信息被配置为包括低轨卫星的经度、纬度、高度；

所述预报输出结果步长，被配置为以第一预定时间为间隔，步长范围在第一预定时间至第二预定时间之间，以对预报输出结果的稠密度进行调控。

优选的是，其中，在步骤五中，星历预报的输出结果被配置为包括：卫星星下点J2000坐标系速度矢量、卫星星下点J2000坐标系位置矢量、卫星星下点WGS84坐标系经纬高、多普勒频率偏移、指向卫星的方位角和俯仰角。

优选的是，其中，在步骤五中，所述算法处理模块在进行星历预报处理的流程被配置为包括：

S51，算法处理模块基于接收到的参数信息组，采用RKF8单步法起步，以得到当前步长点时刻的位置、速度和加速度；

S52，算法处理模块判断是否需要调整步长，如果判断为否，则直接进入步骤S53，否则对其进行步长调整后进入步骤S53；

S53,算法处理模块判断星历输出时刻是否在本次积分时段内，如果判断为是则进入步骤S54，否则则直接进入步骤S55；

S54，算法处理模块采用差值的方式计算卫星星历，并转到下一输出时刻；

S55，算法处理模块采用Adams-Cowell(A-C)多步法进行数值积分，以得到下一步长点时刻卫星位置、速度和加速度；

S56，时间是否大于预报结束时间，如果判断为是则处理流程结束，否则进入步骤S51开始下一步的积分操作。

优选的是，其中，在S55中，所述Adams-Cowell(A-C)多步法进行数值积分时，所述速度矢量

和位置矢量y的初值基于以下公式以得到：

所述速度矢量

的获取被配置为采用Adams公式，所述位置矢量y的公式被配置为采用Cowell公式。

优选的是，其中，还包括对星历预报的结构采用A-C预报校正方法进行校正；

其中，所述预报的公式被配置为采用：

所述校正的公式被配置为采用

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明通过设置在卫星终端中的一个装置，在只需要将预报输入参数下发给该装置，就能进行实时预报，操作简单、长时间全天候预报(不需要人为干预)。

其二，本发明提供的应用方法，通过对预报算法的改进，使得其计算相对简单，但耗时量仅为现有技术的1/5，且精准度较之现有技术能提升2倍以上，能更为有效地应用于低轨卫星的星历实时预报中。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中低轨卫星星历预报装置的组成框图；

图2为本发明的另一个实施例中星历预报设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了根据本发明的一种低轨卫星星历预报装置的实现形式，其中包括：

用于实现星历预报的算法处理模块1，其被配置为采用CPU；

用于提供时间信息的RTC模块2；

用于对卫星终端的位置信息以及时间信息进行获取的GPS/北斗模块3，GPS/北斗模块，安装在地面站卫星通信终端内，获取的是卫星通信终端的位置信息和当前时间信息并存储，转发给算法处理模块。其他输入参数是通过接口模块与外界通讯接口，将输入参数存储在存储模块中，转发给算法处理模块。这样以来，所有的输入参数都转发给算法处理模块，进行实时星历解算；

与算法处理模块、RTC模块、GPS/北斗模块通信连接的控制模块4，控制模块负责接收GPS/北斗接收模块的时间信息和位置信息；负责向算法处理模块的星历参数下发和接收预报输出结果并存储在存储模块内；负责与接口模块发送和接收信息；负责校正RTC模块时间信息；

其中，所述控制模块通过与其通信连接的接口模块5与外部设备或卫星终端进行数据通信，其中，接口模块负责与外界通讯接口，可以是串行口、 SPI接口、I2C接口、CAN接口以及以太网接口，在这种方案中，装置的工作原理在于控制模块接收到GPS/北斗接收模块的时间信息和位置信息后，将时间信息校正为RTC模块时间信息，将位置信息存储到存储模块中，当控制模块接收到接口模块的输入参数信息后，将输入参数转发给算法处理模块，进行实时星历解算，并通过接口模块发送出去，无需上位机与人工的配合，就能实现实时预报，操作简单、长时间全天候预报。

如图1，在另一种实例中，还包括与控制模块通信连接的存储模块6，以及为各模块进行供电的电源管理模块7，其负责存储星历预报输入参数和输出结果，在这种方案中通过存储模块对实时星历解算的结果，由控制模块存储在存储模块内，进而为后期低轨卫星的开发或检修提供数据支撑。

一种应用低轨卫星星历预报装置进行星历预报的方法，包括：

步骤一，GPS/北斗模块接收卫星终端当前的第一时间信息和第一位置信息，传输给控制模块；

步骤二，控制模块在接收到第一时间信息和位置信息后，基于此第一时间信息对RTC模块中的第二时间信息进行校正，得到校正后的第三时间；

步骤三，控制模块将接收到的第一位置信息存储到存储模块中；

步骤四，当控制模块接收到接口模块输入的参数信息组后，将其转发给算法处理模块；

步骤五，算法处理模块基于接收到的参数信息组，调用RTC模块中的第三时间信息，以及存储模块中的第一位置信息，进行实时星历解算，解算的结果由控制模块存储在存储模块内，并通过接口模块发送出去，实现星历的预报。在这种方案中的装置采用嵌入式编程c/c++语言，通过输入参数进行实时解算，其无需要人工干预，只需要将预报输入参数下发给该装置，就能实现对星历的实时预报，而对其预报的精准度而言，可通过与现有技术中的算法进行对比进行说明，以HPOP模型计算坐标系下经纬高的结果为例，在输入参数一致的情况下，通过HPOP模型与本算法计算结果偏差如下表所示。

通过计算结果比较表明，该方法大大提高了星历预报的计算效率，而预报精度优于HPOP算法，用时更少，能实时地实现星历预报。另外，卫星星历输出越稠密，该方法的实时性优势越明显。对于需要稠密输出卫星星历并对实时性要求较高的预报问题，该方法具有很好的适用性。

在另一种实例中，在步骤四中，所述参数信息组被配置为包括卫星初始状态信息、卫星物理参数、外部条件参数、星历预报要求、地面站地理位置信息以及预报输出结果步长；

其中，所述卫星初始状态信息被配置为包括：UTC时间和对应的开普勒六根数，

所述卫星物理参数被配置为包括：卫星质量、大气阻力截面积、太阳光压截面积、卫星部件的阻力系数和光压系数；

所述外部条件参数被配置为包括：反映大气密度受太阳辐射影响的当前 10.7cm的太阳辐射流量、平均太阳辐射流量和反映大气密度受地磁暴影响的地磁指数；

所述星历预报要求被配置为包括：星历预报的开始时间、结束时间和星历输出间隔；

所述地理位置信息被配置为包括低轨卫星的经度、纬度、高度；

所述预报输出结果步长，被配置为以第一预定时间为间隔，步长范围在第一预定时间至第二预定时间之间，以对预报输出结果的稠密度进行调控，设定步长为h，以1秒为间隔，步长范围在1秒至3600秒之间，通过软件设计步长也可以设置成以100毫秒为间隔，步长范围可以在100毫秒至1秒之间，步长越小，预报输出结果越稠密，而在这种方案中通过预先输入各种对星历预报有影响的参数信息，以利于后期算法引用其对输出结果进行计算，以确保其后期预报的精准度。

在另一种实例中，在步骤五中，星历预报的输出结果被配置为包括：卫星星下点J2000坐标系速度矢量、卫星星下点J2000坐标系位置矢量、卫星星下点WGS84坐标系经纬高、多普勒频率偏移、指向卫星的方位角和俯仰角，在这种方案中，卫星星下点J2000坐标系速度矢量、卫星星下点J2000 坐标系位置矢量的得到，是从开普勒六根数到J2000惯性坐标，输入参数：开普勒六根数；输出参数：卫星J2000位置矢量

速度矢量

和其它矢量；其中，a为轨道半长轴，e为偏心率，Ω为升交点赤经，i为轨道倾角，ω为近地点幅角，θ为真近点角，其计算流程为：

采用以下公式以得到r：

采用以下公式以得到单位向量

采用以下公式以得到位置向量

采用以下公式以得到速度矢量

卫星星下点WGS84坐标系经纬高的得到，首先要完成J2000惯性坐标系到 WGS-84坐标系的转换方法，而从J2000坐标系到WGS-84坐标系之间需要一系列的中间坐标系才能得以实现，具体如下所示：

a)从J2000到瞬时平赤道坐标系(MOD)

由J2000惯性坐标系转换到瞬时平赤道坐标系需要进行岁差改正。

ζ_A、Z_A、θ_A是赤道面进动的三个欧拉角，由下式计算：

转换矩阵：

A＝M₃(-Z_A)M₂(θ_A)M₃(-ζ_A)

其中

t是相应的太阳系质心动力学时。

太阳系质心动力学时t对应的儒略日JD(t)：

式中：JD——儒略日；

Year,Month,Day,Hour,Minute,Second——协调世界时(UTC时间—输入参数) 的年，月，日，时，分，秒；(格林尼治时间，与北京时间相差8小时)；

fix——取整函数；

LeapSecond为跳秒数，根据IERS公布设置，例如2006年以前的值为32， 2007～2009年的值为33，目前的值为34。

b)从瞬时平赤道坐标系到瞬时真赤道坐标系(TOD)

由瞬时平赤道坐标系转换到瞬时真赤道坐标系需要进行章动改正。章动量包括交角章动Δε和黄经章动Δψ，通过NutationDE405历表中的数据线性内插获得。

章动的转换矩阵：

N＝M₁(-ε-Δε)M₃(-Δψ)M₁(ε)

其中，ε是平黄赤交角：

ε＝23+26/60+21.448/360-46.815*Δτ/3600

-0.00059*Δτ²/3600+0.001813*Δτ³/3600(°)

c)从瞬时真赤道坐标系到准固定地球坐标系(ECPF)

从瞬时真赤道坐标系到准固定地球坐标系需要旋转一个格林尼治真恒星时角θ_g，

为格林尼治平恒星时，计算格林尼治平恒星时的输入时间是世界时UT1：

UT1＝UTC+(UT1UTC)+DUT1

式中，UTC代表转换时刻的世界协调时秒，DUT1的绝对值最大值不超过 2.5ms，可不必考虑，UT1UTC存储于数据表EarthDynamicData中，与极移量数据一并提供。

UT1UTC为修正后的世界时与世界协调时之差，该数据存储于数据表EarthDynamicData中，该数据格式为：

上述数据表每行数据的时间间隔为1天，实际插值过程可根据上述约定快速查找插值点。

其中，Δτ'代表由转换时刻的UTC时间对应的世界时UT1，从2000年1 月1日12时起算的儒略世纪数：

转换矩阵：

B＝M₃(θ_g)

其中，ω_e为地球自转角速度，取值为7.29211514×10^-5。

d)准固定地球坐标系到固定地球坐标系

从准固定地球坐标系转换到固定地球坐标系需要作极移修正。设地球瞬时极在地极坐标系中的坐标为Xp、Yp。

转换矩阵

极移数据X_p、Y_p通过数据表EarthDynamicData插值获得。

e)从J2000.0到WGS-84的坐标转换

J2000坐标系下的位置、速度为

WGS-84坐标系下的位置、速度为

则有：

具此，采用以下流程以求得WGS-84坐标位置转WGS-84坐标经度、纬度、高度；

输入参数：在WGS-84坐标系下的

位置矢量X、Y、Z。

输出参数：对应位置的WGS-84坐标下经度L、纬度B及高度H。

经度计算公式为：

计算纬度和高度采用如下迭代方法，设初值：

随后，按下式迭代：

其中f为地球的扁率:1/298.257223563；Re为地球赤道半径：6378137m；e为大地椭球偏心率:0.0818192214555233。

而对于多普勒频率偏移，其被配置为采用以下流程以得到：

输入参数：WGS-84坐标系下的卫星位置和速度矢量为

和

WGS-84坐标系下的地面站位置和速度矢量

和

卫星信标频点f₀；

输出参数：多普勒频率偏移；

计算：

1)先计算卫星与地面站相对位置和相对速度：

2)根据目标运动模型即可求出点目标多普勒频率偏移Δf：

其中，c为光速：3.0×10⁸m/s。

对于指向卫星的方位角和俯仰角，其被配置为采用以下流程以得到：

输入参数：WGS-84坐标系下的卫星位置矢量为

WGS-84坐标系下的地面站位置矢量

和地面站的经度λ、纬度

高度h

输出参数：指向卫星的方位角和俯仰角；

具体的计算流程为：

1)根据

求地面站指向卫星的矢量s在WGS-84坐标系中表示为：

s＝[X_s-X_u,Y_s-Y_u,Z_s-Z_u]

2)地面站指向卫星的矢量s在“北-天-东”坐标系中表示为：

3)矢量长度

4)地面站指向卫星俯仰角θ＝arcsin(y/n)

5)地面站指向卫星方位角ψ＝arctan2(z，x)。对于采用以上算法得到的结构进行验证，以对其效果进行说明，通过使用STK(satellite tool kit)软件仿真，与本装置进行对比测试，测试参数设定一致。测试一星期内各个方向的位置误差在50m以内，速度误差在0.065m/s以内，多普勒频率偏移误差在1KHz 内，方位角误差在0.02°内，俯仰角在0.02°内，完全满足设计要求。通过数值仿真结果表明，该方法大大提高了星历预报的计算效率，而预报精度降低很小。另外，卫星星历输出越稠密，该方法的实时性优势越明显。对于需要稠密输出卫星星历并对实时性要求较高的预报问题，该方法具有很好的适用性。

如图2，在另一种实例中，在步骤五中，所述算法处理模块在进行星历预报处理的流程被配置为包括：

S51，算法处理模块基于接收到的参数信息组，采用RKF8单步法起步，以得到当前步长点时刻的位置、速度和加速度；

S52，算法处理模块判断是否需要调整步长，如果判断为否，则直接进入步骤S53，否则对其进行步长调整后进入步骤S53；

S53,算法处理模块判断星历输出时刻是否在本次积分时段内，如果判断为是则进入步骤S54，否则则直接进入步骤S55；

S54，算法处理模块采用差值的方式计算卫星星历，并转到下一输出时刻；

S55，算法处理模块采用Adams-Cowell(A-C)多步法进行数值积分，以得到下一步长点时刻卫星位置、速度和加速度；

S56，时间是否大于预报结束时间，如果判断为是则处理流程结束，否则进入步骤S51开始下一步的积分操作，星历预报重要部分就是数值积分，数值积分方法种类很多，分为单步法和多步法。在这种方案中，本专利采用单步法起步，采用Adams-Cowell(A-C)多步法进行数值积分，进而使得其测试效率可显著提高，具体来说，在另一种实例中，在S55中，所述 Adams-Cowell(A-C)多步法进行数值积分时，所述速度矢量

和位置矢量y的初值基于以下公式以得到：

所述速度矢量

的获取被配置为采用Adams公式，所述位置矢量y的公式被配置为采用Cowell公式，一般来说，Cowell公式比同阶的Adams公式精度要高。对于k阶Adams公式，截断误差为O(h^k+1)，而对于k阶Cowell公式截断误差为O(h^k+2)。但是在卫星运动方程中，常常是要出现

也就是速度项的。在这种方案中将Adams方法和Cowell方法联合起来使用，由Adams 公式提供

(速度矢量)，而用Cowell计算y(位置矢量)，这将比单用Adams 更加有效，这种方法也就是Adams-Cowell方法。另外，隐式方法比显示方法精度高，且数值稳定性好，但是需要一些迭代过程来求解，计算比较复杂，而本发明的算法采用数值积分法来求解位置矢量和速度矢量，其具有精度高，且数值稳定性好，且计算相对简单，易于实现和实际进行运用。

在另一种实例中，还包括对星历预报的结构采用A-C预报校正方法进行校正；

其中，所述预报的公式被配置为采用：

所述校正的公式被配置为采用

在求解卫星运动方程中，常常使用预估----校正(PECE)算法，将显示公式和隐式公式结合起来使用。P，即预报，用显示公式将解从t_n预报到t_n+1点处；E，即估计，用t_n+1点处预报值计算相应的右函数值；C，即改正，将计算出的右函数值通过隐式公式得到改正的预报值；最后一个E，仍是估计，但是，是用修正后的t_n+1点处预报值再去计算右函数，用作下一步积分的起始值。而在这种方案中不采用估计的方式对卫星运动进行校正，其计算后的结果具有精度高，且数值稳定性好，计算相对简单的有益效果。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的低轨卫星星历预报装置及应用方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。