低轨卫星的卫星位置定位方法、计算机装置及存储介质与流程

1.本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是一种低轨卫星的卫星位置定位方法、计算机装置及存储介质。


背景技术：

2.低轨卫星是实现卫星通信的重要设备。由于低轨卫星相对地面高速运动，为了保持数据传输的连续性，需要频繁的进行卫星切换，那么怎么去减少切换的次数以及切换的适合找到最合适的卫星都是很重要的，而这些方法都需要用到卫星的实时位置。然而由于低轨卫星的星座设计中，为了达到全球覆盖的目的，一般会有比较多的卫星。如果实时位置都通过卫星实时传送的话，首先会浪费大量的通信资源，其次也会有时延导致得到的实时位置并不准确。因此需要一种能够无需低轨卫星实时传送数据来对低轨卫星进行定位的技术。


技术实现要素：

3.针对目前的低轨卫星定位需要占用较多通信资源且容易受时延影响而不准确等技术问题，本发明的目的在于提供一种低轨卫星的卫星位置定位方法、计算机装置及存储介质。
4.一方面，本发明实施例包括一种低轨卫星的卫星位置定位方法，包括：
5.获取低轨卫星的卫星历书和卫星星历；
6.确定要获得的卫星位置对应的目标时间所在的时间区间；
7.根据所述卫星历书和所述卫星星历，确定所述低轨卫星在所述时间区间始端所在位置对应的第一地心地固坐标；
8.根据所述卫星历书和所述卫星星历，确定所述低轨卫星在所述时间区间末端所在位置对应的第二地心地固坐标；
9.根据所述第一地心地固坐标和所述第二地心地固坐标进行插值计算，获得第三地心地固坐标和插值误差；
10.当所述插值误差在可接受范围内，将所述第三地心地固坐标确定为所述低轨卫星的卫星位置。
11.进一步地，所述卫星历书包括卫星id号sid、卫星的参考时刻t
oe
、卫星轨道半长轴a、卫星轨道偏心率e、轨道倾角δi、参考时刻升交点经度ω0、轨道升交点经度变化率近地点幅角角距ω、参考时刻的平近点角m0；
12.所述卫星星历包括平均运动角速度校正值δn、升交点角距正弦调和校正振幅c
us
、升交点角距余弦调和校正振幅c
uc
、轨道半径正弦调和校正振幅c
rs
、轨道半径余弦调和校正振幅c
rc
、轨道倾角正弦调和校正振幅c
is
、轨道倾角余弦调和校正振幅c
ic
、轨道倾角对时间的变化率i。
13.进一步地，所述根据所述卫星历书和所述卫星星历，确定所述低轨卫星在所述时
间区间始端所在位置对应的第一地心地固坐标，包括：
14.根据所述所述时间区间始端t与所述卫星的参考时刻t
oe
的差，确定规划时间tk＝t-t
oe
；
15.根据所述卫星轨道半长轴a，确定所述低轨卫星的平均角速度其中，g为引力常量，m为地球质量；
16.根据所述参考时刻的平近点角m0和所述平均角速度n0，确定所述低轨卫星在规划时间tk的平近点角mk＝m0π n0tk；其中，π为圆周率；
17.根据所述平近点角mk，确定所述低轨卫星的偏近点角ek；
18.根据所述偏近点角ek与所述卫星轨道偏心率e，确定所述低轨卫星的真近点角
19.根据所述真近点角vk与所述近地点幅角角距ω，确定所述低轨卫星的升交点角距u＝ω vk；
20.根据所述偏近点角ek、所述卫星轨道偏心率e与所述卫星轨道半长轴a，确定所述低轨卫星的轨道面内半径rk＝a(1-e cos ek)；
21.根据所述参考时刻升交点经度ω0、所述轨道升交点经度变化率所述规划时间tk、所述近地点幅角角距ω与所述卫星的参考时刻t
oe
，确定所述低轨卫星在t时刻的升交点经度l；
22.根据所述升交点角距u、所述轨道半径正弦调和校正振幅c
rs
、所述轨道半径余弦调和校正振幅c
rc
、所述升交点角距正弦调和校正振幅c
us
、所述升交点角距余弦调和校正振幅c
uc
、所述轨道倾角正弦调和校正振幅c
is
、所述轨道倾角余弦调和校正振幅c
ic
，确定所述低轨卫星的轨道半径的摄动校正δu、升交点角距的摄动校正δu和轨道倾角的摄动校正δc；
23.获取所述低轨卫星的初始轨道倾角i0；
24.根据所述轨道半径的摄动校正δu、所述升交点角距的摄动校正δu和所述轨道倾角的摄动校正δc，确定校正后的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik；
25.根据所述升交距角uk和所述卫星矢径rk，确定所述低轨卫星在轨道平面内的极坐标(x,y)；
26.根据所述极坐标(x,y)，确定所述低轨卫星对应的所述第一地心地固坐标(xs,ys,zs)。
27.进一步地，所述根据所述平近点角mk，确定所述低轨卫星的偏近点角ek，包括：
28.确定函数关系mk＝e
k-e sin ek；
29.使用牛顿迭代法对mk＝e
k-e sin ek进行迭代求解，从而确定所述偏近点角ek。
30.进一步地，所述根据所述参考时刻升交点经度ω0、所述轨道升交点经度变化率所述规划时间tk、所述近地点幅角角距ω与所述卫星的参考时刻t
oe
，确定所述低轨卫星在t时刻的升交点经度l，所使用的公式包括：
[0031][0032]
进一步地，所述根据所述升交点角距u、所述轨道半径正弦调和校正振幅c
rs
、所述
轨道半径余弦调和校正振幅c
rc
、所述升交点角距正弦调和校正振幅c
us
、所述升交点角距余弦调和校正振幅c
uc
、所述轨道倾角正弦调和校正振幅c
is
、所述轨道倾角余弦调和校正振幅c
ic
，确定所述低轨卫星的轨道半径的摄动校正δu、升交点角距的摄动校正δu和轨道倾角的摄动校正δc，所使用的公式包括：
[0033]
δu＝c
uc cos 2u c
us sin 2u；
[0034]
δr＝c
rc cos 2u c
rs sin 2u；
[0035]
δi＝c
ic cos 2u c
is sin 2u。
[0036]
进一步地，所述根据所述轨道半径的摄动校正δu、所述升交点角距的摄动校正δu和所述轨道倾角的摄动校正δc，确定校正后的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik，所使用的公式包括：
[0037]
uk＝u δu；
[0038]rk
＝a(1-e cos ek) δr；
[0039]
ik＝i0 δi itk。
[0040]
进一步地，所述根据所述升交距角uk和所述卫星矢径rk，确定所述低轨卫星在轨道平面内的极坐标(x,y)，所使用的公式包括：
[0041]
x＝r
k cos uk；
[0042]
y＝r
k sin uk；
[0043]
所述根据所述极坐标(x,y)，确定所述低轨卫星对应的所述第一地心地固坐标(xs,ys,zs)，所使用的公式包括：
[0044]
xs＝x cos l-y cos i
k sin l；
[0045]ys
＝x sin l y cos i
k cos l；
[0046]zs
＝y sin ik。
[0047]
另一方面，本发明实施例还包括一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行实施例中的低轨卫星的卫星位置定位方法。
[0048]
另一方面，本发明实施例还包括一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行实施例中的低轨卫星的卫星位置定位方法。
[0049]
本发明的有益效果是：实施例中的低轨卫星的卫星位置定位方法，先通过卫星历书和卫星星历等数据确定时间区间两端的地心地固坐标，再通过插值算法确定时间区间内具体目标时间对应的卫星位置地心地固坐标，避免了通信卫星实时传送的过程，节约卫星通信资源，降低通信时延对卫星位置定位的影响；实施例中的低轨卫星的卫星位置定位方法容易通过实线计算出卫星位置地心地固坐标，在需要进行定位时通过数据查询的方式实现，避免了大量数据运算的过程，进一步有利于实现低轨卫星的卫星位置的快速准确定位。
附图说明
[0050]
图1为实施例中的低轨卫星的卫星位置定位方法的各步骤示意图；
[0051]
图2为实施例中低轨卫星在轨道平面中的位置示意图。
具体实施方式
[0052]
本实施例中，参照图1，低轨卫星的卫星位置定位方法包括以下步骤：
[0053]
s1.获取低轨卫星的卫星历书和卫星星历；
[0054]
s2.确定要获得的卫星位置对应的目标时间；
[0055]
s3.根据卫星历书和卫星星历，确定低轨卫星在时间区间始端所在位置对应的第一地心地固坐标；
[0056]
s4.根据卫星历书和卫星星历，确定低轨卫星在时间区间末端所在位置对应的第二地心地固坐标；
[0057]
s5.根据第一地心地固坐标和第二地心地固坐标进行插值计算，获得第三地心地固坐标和插值误差；
[0058]
s6.当插值误差在可接受范围内，将第三地心地固坐标确定为低轨卫星的卫星位置。
[0059]
步骤s1-s6可以由通信核心网执行。
[0060]
低轨卫星在轨道平面中的位置如图2所示，低轨卫星的轨道平面是一个椭圆。如果要计算低轨卫星的位置的话，需要用到卫星星历或者卫星历书，卫星星历是比较精确的，会有摄动校正项，卫星历书的话一般是六根轨数。
[0061]
步骤s1中，可以由低轨卫星的运控中心，将低轨卫星的卫星历书和卫星星历发送到通信核心网的oam(operations and maintenance，操作与维护)网元。
[0062]
具体地，卫星历书包括卫星id号sid、卫星的参考时刻t
oe
、卫星轨道半长轴a、卫星轨道偏心率e、轨道倾角δi、参考时刻升交点经度ω0、轨道升交点经度变化率近地点幅角角距ω、参考时刻的平近点角m0等参数。
[0063]
卫星历书是简略的轨道参数，有效期会比较长，一般长达半年。
[0064]
具体地，卫星星历包括平均运动角速度校正值δn、升交点角距正弦调和校正振幅c
us
、升交点角距余弦调和校正振幅c
uc
、轨道半径正弦调和校正振幅c
rs
、轨道半径余弦调和校正振幅c
rc
、轨道倾角正弦调和校正振幅c
is
、轨道倾角余弦调和校正振幅c
ic
、轨道倾角对时间的变化率i等参数。
[0065]
卫星星历是详细的卫星轨道参数，有效期一般短至4小时。
[0066]
步骤s2中，确定要获得的卫星位置对应的目标时间，以及目标时间所在的时间区间。例如，希望获得一个低轨卫星在t
′
时刻的卫星位置，那么可以将目标时间设定为t
′
。然后查找目标时间t
′
在以δt为间隔进行分割的多个时间区间[nδt,(n 1)δt]中，哪个时间区间内。本实施例中，查到到目标时间t
′
在时间区间[t,t δt]内，即该时间区间的始端为t时刻，末端为t δt时刻。
[0067]
步骤s3中，根据卫星历书和卫星星历，确定低轨卫星在时间区间始端(即t时刻)所在位置对应的第一地心地固坐标。
[0068]
本实施例中，在执行步骤s3时，具体可以执行以下步骤：
[0069]
s301.根据时间区间始端t与卫星的参考时刻t
oe
的差，确定规划时间tk＝t-t
oe
；
[0070]
s302.根据卫星轨道半长轴a，确定低轨卫星的平均角速度其中，g为引力常量，m为地球质量；
[0071]
s303.根据参考时刻的平近点角m0和平均角速度n0，确定低轨卫星在规划时间tk的平近点角mk＝m0π n0tk；其中，π为圆周率；
[0072]
s304.根据平近点角mk，确定低轨卫星的偏近点角ek；
[0073]
具体地，可以先确立如等式mk＝e
k-e sin ek所表示的函数关系，其相当于一个关于偏近点角ek的非线性方程，可以使用牛顿迭代法对该方程进行迭代求解，从而确定偏近点角ek；
[0074]
s305.根据偏近点角ek与卫星轨道偏心率e，确定低轨卫星的真近点角
[0075]
该公式的原理是低轨卫星的真近点角vk满足以下两式：
[0076][0077][0078]
联立以上两式即可得到
[0079]
s306.根据真近点角vk与近地点幅角角距ω，确定低轨卫星的升交点角距u＝ω vk；
[0080]
s307.根据偏近点角ek、卫星轨道偏心率e与卫星轨道半长轴a，确定低轨卫星的轨道面内半径rk＝a(1-e cos ek)；
[0081]
s308.根据参考时刻升交点经度ω0、轨道升交点经度变化率规划时间tk、近地点幅角角距ω与卫星的参考时刻t
oe
，确定低轨卫星在t时刻的升交点经度l；
[0082]
具体地，执行本步骤所使用的公式为：
[0083][0084]
s309.根据升交点角距u、轨道半径正弦调和校正振幅c
rs
、轨道半径余弦调和校正振幅c
rc
、升交点角距正弦调和校正振幅c
us
、升交点角距余弦调和校正振幅c
uc
、轨道倾角正弦调和校正振幅c
is
、轨道倾角余弦调和校正振幅c
ic
，确定低轨卫星的轨道半径的摄动校正δu、升交点角距的摄动校正δu和轨道倾角的摄动校正δc；
[0085]
具体地，执行本步骤所使用的公式为：
[0086]
δu＝c
uc cos 2u c
us sin 2u；
[0087]
δr＝c
rc cos 2u c
rs sin 2u；
[0088]
δi＝c
ic cos 2u c
is sin 2u；
[0089]
s310.获取低轨卫星的初始轨道倾角i0；初始轨道倾角i0可以是由低轨上报或者由运控中心所记录的轨道倾角，未经摄动校正；
[0090]
s311.根据轨道半径的摄动校正δu、升交点角距的摄动校正δu和轨道倾角的摄动校正δc，确定校正后的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik；
[0091]
具体地，执行本步骤所使用的公式为：
[0092]
uk＝u δu；
[0093]rk
＝a(1-e cos ek) δr；
[0094]
ik＝i0 δi itk；
[0095]
s312.根据升交距角uk和卫星矢径rk，确定低轨卫星在轨道平面内的极坐标(x,y)；
[0096]
具体地，执行本步骤所使用的公式为：
[0097]
x＝r
k cos uk；
[0098]
y＝r
k sin uk；
[0099]
s313.根据极坐标(x,y)，确定低轨卫星对应的第一地心地固坐标(xs,ys,zs)；
[0100]
具体地，执行本步骤所使用的公式为：
[0101]
xs＝x cos l-y cos i
k sin l；
[0102]ys
＝x sin l y cos i
k cos l；
[0103]zs
＝y sin ik。
[0104]
通过执行步骤s301-s313，所计算得到的第一地心地固坐标(xs,ys,zs)可以表示低轨卫星在t时刻所在位置在地心地固坐标系中的坐标。
[0105]
在执行步骤s4，也就是根据卫星历书和卫星星历，确定低轨卫星在时间区间末端(即t δt时刻)所在位置对应的第二地心地固坐标这一步骤时，可以再次执行一次步骤s301-s313。在再次执行步骤s301-s313时，将其中的“时间区间始端t”替换成“时间区间末端t δt”，保持其他非根据“时间区间始端t”计算出来或者确定的参数不变，重新执行步骤s301-s313之后，计算出与第一地心地固坐标(xs,ys,zs)相同类型的参数，即第二地心地固坐标(x
′s,y
′s,z
′s)。
[0106]
通过再次执行步骤s301-s313，所计算得到的第二地心地固坐标(x
′s,y
′s,z
′s)可以表示低轨卫星在t δt时刻所在位置在地心地固坐标系中的坐标。
[0107]
由于前面已经确定，希望获得一个低轨卫星在t
′
时刻的卫星位置，而t≤t
′
≤t δt，即目标时间t
′
在时间区间[t,t δt]内，那么可以根据低轨卫星在t时刻所在位置在地心地固坐标系中的坐标即第一地心地固坐标(xs,ys,zs)，与低轨卫星在t δt时刻所在位置在地心地固坐标系中的坐标即第二地心地固坐标(x
′s,y
′s,z
′s)，计算出低轨卫星在t
′
时刻所在位置在地心地固坐标系中的坐标，即第三地心地固坐标。
[0108]
基于上述原理，执行步骤s5，使用拉格朗日算法，对第一地心地固坐标(xs,ys,zs)和第二地心地固坐标(x
′s,y
′s,z
′s)进行插值计算，获得第三地心地固坐标(x
″s,y
″s,z
″s)和插值误差。
[0109]
s6.当插值误差在可接受范围内，将第三地心地固坐标确定为低轨卫星的卫星位置。
[0110]
步骤s6中，如果插值误差在可接受范围内，那么将第三地心地固坐标(x
″s,y
″s,z
″s)确定为低轨卫星在目标时间t
′
的卫星位置。如果插值误差不在可接受范围内，那么可以增加拉格朗日插值过程所使用的插值点的数量，进行更高阶的插值计算，从而计算得到插值误差在可接受范围内的卫星位置，准确确定低轨卫星在目标时间t
′
的卫星位置。
[0111]
本实施例中，由于时间区间中[t,t δt]的始端(时刻t)以及时间间隔δt具有任意性，因此可以在设定好时间间隔δt后，建立一个时间序列0，δt，2δt，
……
nδt，(n 1)δt，
……
时间序列中的每个点都可以作为本实施例中的时刻t，从而执行步骤s3和s4，预先
计算出时间序列中的每个点对应的地心地固坐标并保存下来；在需要确定低轨卫星的卫星位置时，在执行步骤s1和s2之后，执行执行步骤s3和s4时可以无需进行重复的计算，直接读取出之前计算好的地心地固坐标，其中对应于时间区间始端的地心地固坐标为第一地心地固坐标，对应于时间区间末端的地心地固坐标为第二地心地固坐标，然后执行步骤s5和s6进行插值计算，从而省略了大量数据运算的过程，有利于节约计算机资源和计算时间，快速获得高精度的卫星位置定位结果。
[0112]
可以通过编写执行本实施例中的低轨卫星的卫星位置定位方法的计算机程序，将该计算机程序写入至计算机装置或者存储介质中，当计算机程序被读取出来运行时，执行本实施例中的低轨卫星的卫星位置定位方法，从而实现与实施例中的低轨卫星的卫星位置定位方法相同的技术效果。
[0113]
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
[0114]
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
[0115]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0116]
此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0117]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算
平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
[0118]
计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0119]
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。