基于历史TLE的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法

本发明涉及航天测量与控制领域，尤其涉及一种基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法。

背景技术：

1、目前，北美防空司令部(north american aerospace defense command，norad)将大部分空间目标的轨道信息以tle(two-line element)的形式在space-track网站上定期公布，维持约20000多个空间目标的轨道数据更新。tle将空间目标轨道六根数(半长轴、轨道倾角、偏心率、升交点赤经、近地点辐角和平近点角)和空间环境参数以两行特定数据格式表达,对应的轨道预报sgp4(simplified general perturbation version 4)模型考虑地球非球形引力、日月引力及大气阻力等摄动力的影响。tle数据由于其开放性、准确性及完备性而备受世界关注,被广泛应用于空间目标态势分析和空间目标碰撞预警等方面。然而tle数据并没有包含轨道精度信息，使其应用受到限制。

2、目前对轨道预报误差进行分析确定的方法主要有以下3种:基于轨道模型的误差外推、与高精度星历对比和基于历史轨道数据的误差分析。

3、基于轨道模型的误差外推方法可以得到精度较高的误差协方差矩阵,该方法需要已知高精度轨道模型和初始协方差。一般情况下采用精密定轨的方法产生初始协方差,但解算的参数往往会在一定程度上包含部分测量误差和力学模型误差，所以在目前的研究中较少采用。

4、轨道预报误差也可以通过轨道预报星历和高精度星历对比进行评估,但需要精度更高的轨道数据作为参考。然而对于空间目标编目中的大多数目标无法得到其高精度轨道确定结果,所以只能针对少量有精密星历的卫星进行轨道精度评估。

5、对于大多数空间目标,利用历史轨道数据进行误差统计分析是较为可行的方法。该方法通过比较历元时刻的轨道状态和先前轨道数据预报到该时刻状态得到残差信息。

6、综合上述原因，本发明针对大批量空间目标预报误差估计的特点，提出了一种基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法。通过空间目标标定时刻轨道状态与预报到标定时刻轨道状态对比，对轨道预报精度进行互评估，最后根据不同预报时长下预报误差规律特点拟合生成预报误差曲线，达到动态评估空间目标预报误差随时间演化规律的目的。

2、本发明是通过下述技术方案来实现的。

3、本发明一方面，提供了一种基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，包括：

4、以tle发布数据时刻为标定时刻，以tle基于sgp4模型直接转换得到的位置为标定位置；

5、将标定时刻之前发布的tle数据基于sgp4模型预报得到标定时刻的位置作为预报位置，求标定位置和预报位置之间距离，得到预报误差；

6、将预报误差投影在空间目标本体坐标系的速度矢量u方向、在轨道面内与u方向垂直并指向轨道外法线n方向、u方向和n方向构成右手系的w方向三个方向下，得到低轨空间目标轨道预报误差在unw三个方向的分量；

7、基于不同tle数据得到不同预报时长下的轨道预报位置、u方向、n方向、w方向误差值，拟合生成不同时长下的tle预报误差曲线；

8、统计不同轨道高度下多项式系数规律，给出空间目标轨道预报误差随时间演化的基本趋势。

9、优选的，tle基于sgp4模型转j2000坐标系下位置，包括：

10、引入基本的参数系统；

11、由tle数据恢复出平根数；

12、由平根数依次计算长期项、长周期项、短周期项，长期项用多项式表示，有长期积累效应，周期项是以真近点角和近地点辐角的合角为辐角的三角函数，表现出明显的周期性；

13、计算空间目标的位置。

14、优选的，将标定时刻之前发布的发布tle数据基于sgp4模型转对应时刻j2000坐标系下的位置作为标定位置，对应标定时刻和标定位置，利用标定时间之前的tle数据基于sgp4模型预报到标定时刻得到j2000坐标系下的预报位置，对应预报时刻和预报位置。

15、优选的，计算不同预报期预报位置和标定位置之间的距离即为对应预报期下的轨道预报误差，将位置误差投影到标定轨道的unw坐标系下，即得到轨道预报误差在unw三个方向的分量。

16、优选的，分析空间目标在不同预报时长的tle数据，将tle不同预报时长按照设定的区间对数据样本进行分类。

17、优选的，不同预报时长按照一个月内的tle数据。

18、优选的，将tle不同预报时长按照0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7天±2小时的区间对数据样本进行分类。

19、优选的，对分类样本进行野值处理，剔除最大值和最小值，对剩余的同一区间的误差值求方差，留下3σ区间的误差值，对同一区间误差值求rms。

20、优选的，根据不同预报时长的误差值生成预报误差曲线，用最小二乘算法对误差曲线进行多项式拟合，统计曲线多项式系数a、b、c变化规律，得到空间目标预报误差随时间演化规律。

21、本发明另一方面，提供了所述方法在航天低轨空间目标轨道预报误差测量中的应用。

22、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

23、1.本发明针对大批量空间目标轨道预报误差标定需求，提出了一种基于历史tle的低轨空间目标轨道预报互差方法，有效解决了传统轨道预报误差标定中需要已知高精度轨道模型、缺少精密轨道数据源比对。

24、2.利用不同预报时长下的误差值生成预报误差曲线，用最小二乘法对误差曲线进行多项式拟合，研究多项式系数随空间目标高度变化规律，达到评估空间目标预报误差随时间演化规律的目的。

25、3.由于空间目标tle数据在不断更新，空间目标轨道预报误差也在不断变化，利用最新tle标定旧历元tle轨道状态方法，可以达到对空间目标轨道预报误差的动态评估标定效果。

技术特征：

1.基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，tle基于sgp4模型转j2000坐标系下位置，包括：

3.根据权利要求1所述的基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，将标定时刻之前发布的发布tle数据基于sgp4模型转对应时刻j2000坐标系下的位置作为标定位置，对应标定时刻和标定位置，利用标定时间之前的tle数据基于sgp4模型预报到标定时刻得到j2000坐标系下的预报位置，对应预报时刻和预报位置。

4.根据权利要求1所述的基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，计算不同预报期预报位置和标定位置之间的距离即为对应预报期下的轨道预报误差，将位置误差投影到标定轨道的unw坐标系下，即得到轨道预报误差在unw三个方向的分量。

5.根据权利要求1所述的基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，基于不同tle数据，分析空间目标在不同预报时长的tle数据，将tle不同预报时长按照设定的区间对数据样本进行分类。

6.根据权利要求5所述的基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，不同预报时长按照一个月内的tle数据。

7.根据权利要求5所述的基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，将tle不同预报时长按照0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7天±2小时的区间对数据样本进行分类。

8.根据权利要求5所述的基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，对分类样本进行野值处理，剔除最大值和最小值，对剩余的同一区间的误差值求方差，留下3σ区间的误差值，对同一区间误差值求均方根rms。

9.根据权利要求1所述的基于历史tle的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，其特征在于，根据不同预报时长的误差值生成预报误差曲线，用最小二乘算法对误差曲线进行多项式拟合，统计曲线多项式系数a、b、c变化规律，得到空间目标预报误差随时间演化规律。

10.一种如权利要求1-9任一项所述方法在航天低轨空间目标轨道预报误差测量中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于历史TLE的低轨空间目标轨道预报误差动态标定方法，以TLE发布数据为标定时刻，以TLE基于SGP4模型转换位置为标定位置，将标定时刻前发布的TLE数据基于SGP4模型预报得到标定时刻的位置作为预报位置，求标定位置和预报位置间距离，得到预报误差；将预报误差投影在空间目标本体坐标系UNW三个方向下，得到低轨空间目标轨道预报误差在UNW三个方向的分量；得到不同预报时长下的轨道预报位置、UNW方向误差值，拟合生成不同时长下的TLE预报误差曲线，统计不同轨道高度下多项式系数规律，给出空间目标轨道预报误差随时间演化的基本趋势。该方法应用于航天测量领域中，可对大多数空间目标进行轨道精度评估。

技术研发人员：兰剑,张育卫,祝开建,杨洋,张炜,曹晓萌,崔文,宋明展
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13