本公开涉及卫星定轨，具体涉及弱星间拓扑结构下低轨导航星座自主定轨方法与系统。
背景技术：
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
2、低轨星座具有地面接收信号强度高、几何构型变化快、能够与中高轨gnss（globalnavigation satellite system, 全球导航卫星系统）星座形成互补等优势，对增强gnss导航定位、完好性、连续性和可用性具有显著优势，已成为当前卫星导航领域的关注热点。低轨导航增强卫星对地发射导航信号，同时播发广播星历。精确的轨道是用户实现可靠导航定位服务的前提。因此，低轨卫星自主实时定轨是实现星座长期高精度、高可靠自主运行的必要保障，为高精度科学探测任务顺利实施提供技术支撑。
3、目前，低轨导航星座自主定轨观测数据主要包括星间测距信息和星载gnss信息。星载gnss数据可以为整个星座提供基准，从而有效控制星座的平移和旋转误差。基于星间链路的低轨星座星上自主解算模式可分为集中式和分布式两种。集中式处理是将所有观测信息汇集至主星，由主星完成星座内所有卫星的轨道解算，再将结果分发给各个卫星。分布式处理即每颗卫星接收并存储与自身相关的各类观测信息和关联卫星的轨道信息来解算自己的轨道等参数。集中式解算可以获得卫星轨道最优解，但对主星的星上存储、计算能力和数据通信均有较高要求；分布式模型由于几何强度较差，解算结果次优，但对每颗卫星的存储和计算能力要求较低。因此，鉴于低轨导航星座卫星数较多，一般达到上千颗，主要采用分布式自主定轨方法。具体子网大小视定轨精度要求、星间链路观测拓扑结构、链路数量和星间数据通信能力等因素优化确定，最小子网可以是单颗卫星也可以是局部同轨或异轨分布式连接的几颗卫星。
4、但低轨大型星座分布式自主定轨仍然存在以下问题：
5、1）由于卫星轨道高度低，大气阻力大，星间链路易受太阳风暴等空间天气影响，星间链路构型变化频繁，可能出现弱星间链路结构，星间测距数据量也难以保证。但自主定轨需要解算卫星轨道、卫星钟差、星间链路硬件时延偏差、大气阻力参数和力模型参数，参数较多定轨结果受到严重影响。由于低轨卫星运动速度快，过境时间短，实时gnss与星间链路数据下传到地面会造成一定时间延迟，同时也增加通信系统的负担，且大量数据在地面实时处理对计算效率有一定要求，地面处理系统可能难以满足。
6、2）另外，低轨导航增强星座星上自主定轨需要考虑多种误差源。由于星上计算能力和资源有限，某些误差可以在地面标定以减轻星上处理负担，如微波链路与激光链路噪声、星载gnss数据噪声、星间链路硬件时延偏差、gnss伪距偏差、多路径误差、星间链路和gnss天线相位中心到质心的偏差（phase center offset, pco）和变化量（phase centervariations, pcv）、以及多路径效应等其它未建模误差。由于多种观测模式下的低轨卫星星上自主定轨考虑的误差源较多，而且低轨卫星轨道高度低，观测环境复杂，星间建链可能不如导航卫星稳定，构型可能出现弱观测结构。此时定轨法方程奇异，条件数过大，因此部分未建模误差会残留到残差中，影响定轨的准确性。
技术实现思路
1、本公开为了解决上述问题，提出了弱星间拓扑结构下低轨导航星座自主定轨方法与系统，通过地面接收历史星载gnss和星间链路数据，采用事后处理得到卫星轨道、钟差参数和星间硬件时延偏差参数并进行预报，然后基于机器学习标定和预测待估关键参数及其误差水平，并上传至星上处理器进行自主定轨生成广播星历，使得即使在星上弱星间观测结构下依然可以通过地面上注的轨道、钟差等参数来实现稳健定轨。
2、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
3、弱星间拓扑结构下低轨导航星座自主定轨方法，包括：
4、获取星间链路在预定轨道上的各类观测数据，并对各类观测数据进行预处理；
5、采取分段一次多项式卫星钟差建模方法建立轨道、钟差参数的同步观测方程，考虑钟差跳变影响，基于地面上载数据，施加先验轨道信息弱约束和星载gnss基准约束或gnss旋转角误差约束，对预处理后的各类观测数据进行误差分析，生成联合星载gnss与星间链路数据的轨道、钟差和相关误差参数，并进行预报；
6、基于误差分析结果，在生成的轨道、钟差和相关误差参数中提取多个关键特征作为参数预测模型的输入，输出得到相对权重、星间链路硬件延迟、低轨卫星钟差以及未建模误差四类预测的误差参数时间序列；
7、将预测的误差参数时间序列和广播星历共同上传至主卫星，主卫星通过星间链路传输至各个子卫星，实现子卫星运行分布式自主定轨。
8、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
9、弱星间拓扑结构下低轨导航星座自主定轨系统，包括：
10、观测数据获取模块，用于获取星间链路在预定轨道上的各类观测数据，并对各类观测数据进行预处理；
11、误差分析标定模块，用于采取分段一次多项式卫星钟差建模方法建立轨道、钟差参数的同步观测方程，考虑钟差跳变影响，基于地面上载数据，施加先验轨道信息弱约束和星载gnss基准约束或gnss旋转角误差约束，对预处理后的各类观测数据进行误差分析，生成联合星载gnss与星间链路数据的轨道、钟差和相关误差参数，并进行预报；
12、参数预测模块，用于基于误差分析结果，在生成的轨道、钟差和相关误差参数中提取多个关键特征作为参数预测模型的输入，输出得到相对权重、星间链路硬件延迟、低轨卫星钟差以及未建模误差四类预测的误差参数时间序列；
13、上星定轨模块，用于将预测的误差参数时间序列和广播星历共同上传至主卫星，主卫星通过星间链路传输至各个子卫星，实现子卫星运行分布式自主定轨。
14、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
15、一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的弱星间拓扑结构下低轨导航星座自主定轨方法。
16、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
17、一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的弱星间拓扑结构下低轨导航星座自主定轨方法。
18、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
19、一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的弱星间拓扑结构下低轨导航星座自主定轨方法。
20、与现有技术相比，本公开的有益效果为：
21、本公开的弱星间拓扑结构下低轨导航星座自动定轨方法，通过地面接收历史星载gnss和星间链路数据，建立轨道、钟差参数的同步观测方程，解算确定卫星轨道、钟差和星间硬件时延偏差参数，然后基于机器学习来标定和预测待估关键参数及其误差水平并上传至星上处理器，使得即使在星上弱星间观测结构下依然可以通过地面上注的轨道、钟差等参数来实现稳健定轨，从而得到可靠的自主定轨结果。
22、本公开的弱星间拓扑结构下低轨导航星座自动定轨方法，可以有效解决星上弱星间观测拓扑结构下自主定轨精度不高的问题。通过地面事后获取gnss与星间链路数据进行精密处理，生成精密轨道、钟差和星间硬件时延偏差参数，设置影响自主定轨的关键输入变量参数，如微波与激光链路噪声、星间链路设计时延和未建模误差等，采用机器学习的方法来精准预报轨道、钟差等参数上注至星上。星上进行分布式自主定轨，在星间观测拓扑结构较好的情况下一般不需要外部先验参数约束；在呈现弱拓扑观测结构时，基于预报的相对权比、钟差、硬件时延偏差等参数以及误差协方差阵，在自主定轨过程中对待估参数施加一定的参数先验约束来实现稳健定轨，即使在星间链路观测结构较弱或观测数据不足的情况下也能提高分布式全观测链路结构下的自主定轨精度水平。
23、本公开的弱星间拓扑结构下低轨导航星座自动定轨方法，建立轨道、钟差参数的同步观测方程，考虑钟差跳变影响，同时获取地面上注的钟差、链路硬件时延偏差、微波/激光链路相对gnss伪距的权重、以及未建模误差等时间序列，进行轨道、钟差等参数的一体化解算。同时根据实际情况施加星载gnss基准约束、gnss旋转角误差约束或先验轨道信息弱约束来增强弱星间观测结构下结果的稳健性。在执行过程中要执行自主完好性监测，即进行卫星自主故障检测以及完好性隔离处理，避免未被检测到的故障卫星利用带有粗差或异常观测值污染其它卫星甚至整个星座而导致滤波发散。
24、本公开的弱星间拓扑结构下低轨导航星座自动定轨方法，基于预测的参数时间序列，可以和广播星历一起上传至主卫星，主卫星通过星间链路传输到各个子卫星，子卫星运行分布式自主定轨。预报的参数序列可以以较长时间的频次上传一次，该方法的优势是可以较少对地面系统的依赖，如在特殊场景下，地面控制或上注系统遭到破坏，可以用星上储存的较长时间序列的预报值继续执行稳健的自主定轨。