[发明专利]一种基于重力场梯度不变量的轨道要素估计方法

说明书

一种基于重力场梯度不变量的轨道要素估计方法，其步骤如下：一：准备工作；二：理想重力梯度张量在东北天(East‑North‑Up，ENU)坐标系下的分解和特征值；三：求解测量历元J2模型重力场张量在ENU坐标系下的分解和特征值；四：利用J2重力梯度矩阵特征值求解各测量历元r和；五：利用和计算初始轨道要素；六：轨道要素平滑。通过以上步骤本发明创新的使用了卫星运行过程中所测量的重力梯度矩阵不变量信息，通过迭代求解出卫星到地心的几何距离与地心纬度，并以此作为观测量给出了以轨道根数中的半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点俯角和真近点角为状态参数的测量方程；并创新地引入了轨道根数的摄动动力学方程，采用批处理最小二乘估计出初始历元的五个轨道根数；该方法具有自主程度高、抗干扰能力强、建设成本低等优点，而且在深空探测领域具有传统方法所不具有的优势。

技术领域

本发明提供一种基于重力场梯度不变量的轨道要素估计方法，它涉及一种对在轨卫星利用重力场梯度测量数据进行轨道要素估计的方法，属于导航技术领域。

背景技术

地球重力场是受地球重力作用的空间范围，而由于地球内部质量分布的不规则性，使得地球重力场不是按一个简单规律变化的力场。为了建立地球重力场模型，传统的物理大地测量学依据地球表面收集的观测数据形成和发展了一系列重力场理论和方法，如重力势、重力位函数、大地水准面等。由于观测手段的限制，这个阶段形成的地球重力场模型比较粗糙，并不能给出相对精确的地球重力场分布，使得利用地球重力场特性的应用受限。进入20世纪后半叶，利用新的测量技术(如电磁波测距、人造地球卫星定位系统和甚长基线干涉测量(VLBI)等)和先进的重力测量仪器为建立更加精准的地球重力场模型提供了支持。如今，由于高精度的地球重力场模型的建立，利用重力梯度进行导航、定姿成为了众多国家、学者研究的热点。

自上世纪60年代开始，有学者便提出利用重力梯度仪辅助惯性导航。重力梯度辅助惯性导航，是指利用重力梯度值来修正惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)随时间积累的定位误差，具有自主性强、隐蔽性好、不受地域和时域限制等优点。但由于惯性器件的固有缺陷(例如陀螺漂移和加速度计零偏置)使得重力场辅助导航系统并不能从根本上解决INS误差积累的问题。而且，这些重力梯度导航研究中，主要应用场景局限于水下潜艇和航空飞行器，重力梯度导航没有成为一种独立的导航方法。

近年来，人们开始着眼于在轨卫星的重力梯度导航，为卫星的自主运行提供一种新方案。传统的卫星导航定轨方法主要是基于地面站遥测的定轨方法。然而，使用地面站对卫星进行定轨存在诸多限制，如建设成本、地面站故障、数据处理能力、数据传送能力、地域限制、政治因素等。对于目前拥有大量发射任务的我国来说，地面站的数量以及处理能力并不能完全满足当前需要。因此有必要提出一种新型的定轨方法来作为传统定轨方法的补充，重力梯度导航成为了避免以上弊端的有效方案之一，其具有建设成本低、完全不依赖外界提供的信息，星上自主性强，不易受外界因素干扰的优势。

当前，美国、俄罗斯以及中国等航天大国都提出了对于深层空间的探测计划。当探测器远离地球后，继续采用传统地面站遥测定轨会出现信号强度微弱，延迟严重，受到各种干扰等问题，将会给深空探测器实时定轨带来巨大的困难。而如果事先已建立了要探测行星的重力场模型，那么重力场梯度导航将为卫星提供自主的、实时的、可靠的导航、定轨结果。

综上，由于当前高精度地球重力场模型的建立，以及先进的重力测量仪器的出现为重力梯度导航提供了支持。随着研究的深入，使用重力梯度为航天器进行定轨成为了当前研究的热点。并且由于其相较于传统定轨方法所具有的优点与意义让其研究具有了必要性。本发明便提出了一种基于重力场梯度不变量的轨道要素估计方法，使用重力场梯度矩阵中的不变量信息估计出航天器轨道六要素中的五个要素。

发明内容

(一)发明目的：