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。