CN103542854A - 基于星载处理器的自主定轨方法 - Google Patents

基于星载处理器的自主定轨方法 Download PDF

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CN103542854A CN201310531747.5A CN201310531747A CN103542854A CN 103542854 A CN103542854 A CN 103542854A CN 201310531747 A CN201310531747 A CN 201310531747A CN 103542854 A CN103542854 A CN 103542854A
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Abstract

本发明提供了一种基于星载处理器的自主定轨方法。该方法利用星间测距，克服导航卫星定轨在脱离地面站支持的条件下定轨精度发散的难题，完成导航卫星之间精密测量数据转换、不同时间测量值归算、几何定轨、动力学定轨、自主星历生成等多项步骤，实现脱离地面站数据上注支持的导航卫星自主定轨算法。本方法在脱离地面站支持的条件下，即没有地面站测量数据，也没有地面站上注数据，导航卫星仅仅凭借星际双向测量的结果，并结合导航卫星上预存的60天长期预报星历，通过导航卫星自主运算，得到导航卫星的实时轨道预报结果，并可生成广播星历下发。

Description

基于星载处理器的自主定轨方法
技术领域
本发明主要涉及一种基于星载处理器的自主定轨方法。
背景技术
全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能够为地球及近地空间的任意地点提供全天候的精密位置和时间信息。全球卫星导航系统可支持各种需要精确位置与时间信息的战术操作，与通信、计算机和情报监视等其他系统构成多兵种协同作战指挥系统，已成为武装力量的支撑系统和战斗力倍增器，是我国基于信息系统体系作战能力形成过程中必不可少的核心关键系统之一。除此之外，卫星导航系统已广泛应用于国民经济各个领域，不仅为经济发展提供了强大的动力，且已成为关系国计民生的重要基础设施。
传统的导航卫星定轨方法为：多个已知精确坐标的地面站对导航卫星进行大量、长时间的测量，测得的数据在地面站计算并最终得到导航卫星轨道数据。导航卫星提供给地面用户的广播星历，需要地面站通过星历上注的方式获取。如果失去地面站支持，则导航卫星无法得到自身轨道以及提供给地面用户的广播星历。即使导航卫星通过预存保留了一段时间的预报星历，在地面站无法定期上注更新参数的情况下，预报星历因为精度发散而无法使用。
基于星间测距的导航卫星自主定轨方法，主要是导航卫星在脱离地面站支持的前提下，仅依靠星间精密测量的数据，对卫星轨道进行定位，并生成广播星历下发，使导航卫星在脱离地面站支持的情况下仍具备一定的功效，保持了导航能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服导航卫星定轨在脱离地面站支持的条件下定轨精度发散的难题，提供了一种基于星间测距的导航卫星自主定轨方法，完成导航卫星之间精密测量数据转换、不同时间测量值归算、几何定轨、动力学定轨、自主星历生成等多项步骤，实现了脱离地面站数据上注支持的导航卫星自主定轨算法。
本发明的技术方案是：通过星间（星地）精密测量得到星间（星地）精密测量值，即距离观测量， 对星间距离观测量进行时间归化，得到同一时刻的星间测距观测量；经过一段时间的累积，得到卫星的几何定位值；在卫星几何定位的基础上，进行卫星动力学定轨；轨道动力学外推然后输出预报星历。具体步骤如下：
下列步骤中的卫星编号并非人为指定，而仅仅为叙述方便，卫星编号和卫星之间的对应关系并不影响本发明的技术方案。
步骤1：星间双向观测量生成
星间观测量并非连续获得，而是根据星间链路的节拍分时获取，假设节拍周期为                                               ，起始时刻为
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE004
，则在2
Figure 738400DEST_PATH_IMAGE002
时间内完成一次双向测量。具体为：
Figure 281639DEST_PATH_IMAGE004
时刻A星发B星收，
Figure 123693DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 581219DEST_PATH_IMAGE002
时刻A星收B星发；+2
Figure 903540DEST_PATH_IMAGE002
时刻A星发C星收，
Figure 796671DEST_PATH_IMAGE004
+3时刻A星收C星发；以此类推。在一个测量周期内的第二个节拍，B星在完成测量的同时，将第一个节拍得到的测量数据发送回A星，即A星在一个测量周期内得到了AB星的双向测量数据。
以下以AB两颗星为例详细描述得到星间观测量的过程。
（1）起始时刻为，A星发B星收，测得的伪距
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE006
存储在B星。
（2）时刻
Figure 303871DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 182834DEST_PATH_IMAGE002
，A星收B星发，测得的伪距
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE008
存储在A星。
（3）仍然在时刻
Figure 545945DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 193964DEST_PATH_IMAGE002
，B星将步骤1测得的伪距
Figure 184660DEST_PATH_IMAGE006
从通信通道发至A星。
（4）A星将伪距
Figure 550920DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 888360DEST_PATH_IMAGE008
配对，做好观测量归化计算准备。
步骤2：星间双向观测量归算
由于星间链路直接观测量为不同时刻的测量值，因此在用于自主定轨之前需要进行预处理，即将观测量归化到同一时刻。输入为本地卫星A与建链卫星B的多个周期接收时刻伪距观测值
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE010
，输出值为将各周期接收时刻伪距
Figure 220246DEST_PATH_IMAGE010
归化到指定接收时刻对应的伪距
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE012
；
具体做法为：
（1）首先确定本星需要建立双向测量的卫星数量，假设为
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE014
，则一个测量周期为
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE016
。
（2）确定不同测量值需要规化的时刻点，一般为某条测量链路起始时刻到测量周期的中点，即
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE018
时刻；这时计算其它链路对应到此时刻点的值，由于测量链路为时分体制，因此对于不同的测量链路此时刻点不相同。
（3）每条测量链路分别进行归化计算。一般数据积累点为测量周期的10倍以上，确保测量周期以及归化时刻点的前后数据大体相当，此时总的数据点数量假设为
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE020
。
（4）计算插值系数矩阵，并根据系数矩阵和归化时刻点，计算归化时刻点测量值。
步骤3：几何定位
（1）给定卫星初始位置
此时，对于不同的卫星来说，可以建立不同的观测量方程组。
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE022
   （1）
对式(1)进行求解，即可得到卫星的位置坐标。但式(1)是一组含观测噪声的非线性方程，直接求解不易，一般需要进行线性化。假设通过某些途径（如测控系统提供的初始轨道，即初定轨结果），获得卫星的概略位置坐标
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE024
，则只需对概略位置进行相应的改正即可得到卫星位置坐标，改正量用表示。此时得到的卫星位置坐标应为估计值（不是真值），记为，于是有
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE030
  （2）
（2）对式（1）在卫星概略位置坐标
Figure 614800DEST_PATH_IMAGE024
处进行线性化；
对式（1）进行线性化，并忽略2阶以上高阶项，可得
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE032
  （3）
其中，
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE034
为地面站
Figure 2013105317475100002DEST_PATH_IMAGE036
到卫星
Figure DEST_PATH_IMAGE038
距离的近似值
Figure DEST_PATH_IMAGE040
  （4）
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为地面站
Figure 403109DEST_PATH_IMAGE036
到卫星
Figure 606557DEST_PATH_IMAGE038
的观测矢量的方向余弦，即
Figure DEST_PATH_IMAGE044
  （5）
于是，令
Figure DEST_PATH_IMAGE046
， ， 
Figure DEST_PATH_IMAGE050
， 
Figure DEST_PATH_IMAGE052
则式（3）可写成矩阵形式
Figure DEST_PATH_IMAGE054
  （6）
令
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为式（6）的解算原则（最小二乘原则），即
Figure DEST_PATH_IMAGE058
  （7）
则式（7）的最优解（无偏估计）为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
  （8）
（1）当观测的卫星只有3个时，式（8）的解为
Figure DEST_PATH_IMAGE062
  （9）
（2）当观测的卫星数量大于3个时，式（8）的解为
  （10）
需要注意的是，由于概略位置可能具有较大的误差，从而导致式（3）存在较大的线性化误差，因此，一般需要迭代数次才能获得精度较高的定位解。另外，上述定位解算是在等精度观测的假设下得到的，对于不是等精度观测的情况，一般需要进行加权求解。相关推导与上述过程类似，此处不再赘述。直接对（10）式给出加权最小二乘解为
Figure DEST_PATH_IMAGE066
  （11）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为观测权矩阵。
（3）用上一步计算结果更新卫星位置；
（4）比较两次计算结果，判断是否满足收敛标准。如果满足则直接输出卫星位置估计值；否则用这次计算的卫星位置作为初始值，返回步骤（2）继续计算；
步骤4：卫星动力学定轨
（1）给定卫星初始位置
动力学定轨的输入值为几何定位输出的结果，这些几何定位的结果是一个个独立的点，彼此间没有有机的联系，动力学定轨即利用动力学模型，得到卫星的轨迹曲线。本发明采用的动力学离散模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE070
  （12）
    其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
、、、、
Figure DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure DEST_PATH_IMAGE082
、分别为：当前历元轨道修正值、前一历元轨道修正值、模型噪声矩阵、观测值、观测矩阵、状态传递矩阵、观测误差矩阵。
应用扩展Kalman滤波（EKF）方法对递归问题（12）进行求解，其步骤如下：
（2）计算得到
Figure DEST_PATH_IMAGE086
时刻的积分参考轨道
Figure DEST_PATH_IMAGE088
和状态转移矩阵
Figure 122113DEST_PATH_IMAGE082
。
（3）从而得到预报状态
Figure DEST_PATH_IMAGE090
Figure DEST_PATH_IMAGE092
  （13）
（4）预测状态协方差矩阵
  （14）
其中，为模型噪声
Figure 267661DEST_PATH_IMAGE076
的协方差矩阵,
Figure DEST_PATH_IMAGE098
为上一状态的轨道估计值。
（5）计算新息向量及其协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE100
  （15）
  （16）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE104
为测量噪声的协方差矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
为新息向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE108
为新息向量的协方差矩阵。
（6）计算增益矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE110
  （17）
（7）求解新的状态估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE112
  （18）
（8）更新状态协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE114
  （19）
从而可以对
Figure 654518DEST_PATH_IMAGE086
时刻的积分参考轨道
Figure 97875DEST_PATH_IMAGE088
进行修正
Figure DEST_PATH_IMAGE116
  （20）
    （9）如果满足设定门限则直接输出结果，否则返回步骤（1）继续计算。
步骤5：星历参数拟合
导航电文星历参数是提供给用户的关于卫星轨道的基准。设星历参考时刻
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，则
Figure 201091DEST_PATH_IMAGE118
相对于定轨时刻是未来时。因此需要将定轨时刻得到的轨道进行外推预报。
设动力学定轨得到的轨道为
Figure DEST_PATH_IMAGE120
，
Figure DEST_PATH_IMAGE122
为轨道历元，
Figure DEST_PATH_IMAGE124
为轨道根数。这里的轨道外推涉及两个过程：一是将
Figure 16076DEST_PATH_IMAGE122
时刻的轨道预报到星历参考时刻
Figure 80109DEST_PATH_IMAGE118
，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE126
；二是为了计算星历参数所需的轨道外推，一般在
Figure DEST_PATH_IMAGE128
时刻轨道的基础上外推1-2小时。
在时刻轨道的基础上外推数小时的目的是获得星历参数拟合所需的轨道观测值。本文采用卫星位置参数作为星历参数拟合的观测值，可以得到一系列的采样点观测值。因为星历参数一般在地固坐标系下给出，因此需要将观测值
Figure 908050DEST_PATH_IMAGE130
转换到地固坐标系下，即转换为
Figure DEST_PATH_IMAGE132
。假设外推时长为4h，采样间隔为200s，则共有72个采样点观测值。最终输出导航卫星的16个基本广播星历参数：
Figure DEST_PATH_IMAGE134
、
Figure DEST_PATH_IMAGE136
、e、
Figure DEST_PATH_IMAGE138
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE142
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE146
、
Figure DEST_PATH_IMAGE148
、
Figure DEST_PATH_IMAGE150
、
Figure DEST_PATH_IMAGE152
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE156
、
Figure DEST_PATH_IMAGE158
、
Figure DEST_PATH_IMAGE160
、
Figure 166641DEST_PATH_IMAGE118
。由这16个参数可以计算卫星在地固坐标系中的位置坐标。
采用本发明可以达到以下技术效果：
在脱离地面站支持的条件下，即没有地面站测量数据，也没有地面站上注数据，导航卫星仅仅凭借星际双向测量的结果，并结合导航卫星上预存的60天长期预报星历，通过导航卫星自主运算，得到导航卫星的实时轨道预报结果，并可生成广播星历下发。
附图说明
图1是传统的基于地面站测量的导航卫星定轨方法示意图；
图2是本发明的基于星间测距的导航卫星自主定轨算法结构图；
图3是本发明的星间双向观测量生成结构图；
图4是本发明的星间双向观测量归化算法结构图；
图5是本发明的几何定位算法结构图；
图6是本发明的动力学定轨算法流程图；
图7是本发明的星历参数拟合生成算法流程图；
图8是归化计算长度和测量周期关系示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。
图1是传统的基于地面站测量的导航卫星定轨方法。
传统的导航卫星定轨方法基于地面站对导航卫星进行长期测量，根据测量结果，在地面进行计算，将数据拟合、外推，最终得到导航卫星预报轨道星历，并通过地面站上注给导航卫星，供其分发广播。
图2是本发明的基于星间测距的导航卫星自主定轨算法结构图，本算法由以下实施步骤组成。
步骤1：星间双向观测量生成。
步骤2：星间双向观测量归化计算。
步骤3：几何定位。
步骤4：动力学定轨
步骤5：星历参数拟合生成。
图3是本发明的星间双向观测量生成算法结构图
星间双向观测量通过星间链路的时空分体制得到，双单向建链测量的伪距值不仅含有距离量、钟差量，还包括电离层效应、对流层效应、收发设备延迟等，必须对其进行伪距误差改正；最后，再对经过时间同步改正和伪距误差改正后的量进行距离与钟差的解耦处理，得到距离和钟差观测量，分别用于定轨和时间同步处理。
图4是本发明的星间双向观测量归化算法结构图
由于星间双向观测量为不同时刻的观测量，要进行几何定位，必须进行时间归化，即将不同时刻的测量值归算到同一个时刻。
步骤1：根据建链数量确定计算周期，如建链数为N，单向测量节拍周期为
Figure 154188DEST_PATH_IMAGE002
，则测量周期为。
步骤2：确定不同星间观测量需要归化的目标时刻点，此时刻点一般在
Figure 125479DEST_PATH_IMAGE016
周期内，一般尽量选择靠近测量周期的中点，同时，确定目标时刻点在不同星间观测量中的位置。
步骤3：根据积累的星间观测量计算归化算法系数矩阵。
步骤4：根据系数矩阵和目标时刻点得到目标时刻点的伪距值（观测量）。
步骤5：插值节点移位，计算下一周期系数矩阵。
图5是本发明的几何定位算法结构图
（1）给定卫星初始位置。
（2）对定位方程进行线性化，并忽略2阶以上高阶项，可得
Figure 472147DEST_PATH_IMAGE032
  （21）
其中，
Figure 510772DEST_PATH_IMAGE034
为地面站
Figure 601088DEST_PATH_IMAGE036
到卫星
Figure 907304DEST_PATH_IMAGE038
距离的近似值
Figure 657829DEST_PATH_IMAGE040
  （22）
为地面站
Figure 310713DEST_PATH_IMAGE036
到卫星的观测矢量的方向余弦，即
Figure 661371DEST_PATH_IMAGE044
   （23）
于是，令
Figure 110807DEST_PATH_IMAGE046
， 
Figure 103778DEST_PATH_IMAGE048
， 
Figure 56690DEST_PATH_IMAGE050
， 
最小二乘解为：
Figure 150996DEST_PATH_IMAGE066
   （24）
其中，
Figure 386806DEST_PATH_IMAGE068
为观测权矩阵。
（3）用上一步计算结果更新卫星位置。
（4）比较两次计算结果，判断是否满足收敛标准。如果满足则直接输出卫星位置估计值；否则用这次计算的卫星位置作为初始值，返回（2）继续计算。
图6是本发明的动力学定轨算法流程图
（1）给定卫星初始状态
（2）计算
Figure 20656DEST_PATH_IMAGE086
时刻的积分参考轨道
Figure 50929DEST_PATH_IMAGE088
和状态转移矩阵，
（3）计算预报状态
Figure 547080DEST_PATH_IMAGE090
Figure 474585DEST_PATH_IMAGE092
   （25）
（4）计算预测状态协方差矩阵
Figure 738076DEST_PATH_IMAGE094
   （26）
其中，
Figure 882356DEST_PATH_IMAGE096
为模型噪声
Figure 194389DEST_PATH_IMAGE076
的协方差矩阵。
（5）计算新息向量及其协方差矩阵
Figure 304296DEST_PATH_IMAGE100
   （27）
Figure 177837DEST_PATH_IMAGE102
   （28）
其中，
Figure 310878DEST_PATH_IMAGE104
为测量噪声的协方差矩阵。
（6）计算增益矩阵
Figure 488918DEST_PATH_IMAGE110
   （29）
（7）求解新的状态估计值
   （30）
（8）更新状态协方差矩阵
Figure 494844DEST_PATH_IMAGE114
   （31）
（9）如果满足设定门限则直接输出结果，否则返回（1）继续计算。
对
Figure 181694DEST_PATH_IMAGE086
时刻的积分参考轨道
Figure 101109DEST_PATH_IMAGE088
进行修正
Figure 920029DEST_PATH_IMAGE116
    （32）
图7是本发明的星历参数拟合生成算法流程图。
计算卫星位置所用到的基本广播星历参数有16个：
Figure 135372DEST_PATH_IMAGE134
、
Figure 243005DEST_PATH_IMAGE136
、e、
Figure 762848DEST_PATH_IMAGE138
、
Figure 872493DEST_PATH_IMAGE140
、
Figure 85169DEST_PATH_IMAGE142
、
Figure 414519DEST_PATH_IMAGE144
、
Figure 177201DEST_PATH_IMAGE146
、
Figure 705134DEST_PATH_IMAGE148
、
Figure 26394DEST_PATH_IMAGE150
、、、、
Figure 844866DEST_PATH_IMAGE158
、、
Figure 486249DEST_PATH_IMAGE118
，其中
Figure 752889DEST_PATH_IMAGE118
是作为已知量给出的，不需要通过拟合得到。我们将前面16个参数中除
Figure 150372DEST_PATH_IMAGE118
外的15个作为待求参数，由此可得相应的待估状态参数向量和观测方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE162
   （33）
Figure DEST_PATH_IMAGE164
    （34）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE166
为参考历元时刻的广播星历参数，为一个含
Figure DEST_PATH_IMAGE170
个观测量的观测列向量，一个观测量对应卫星的一个位置分量。
设
Figure DEST_PATH_IMAGE172
为估值
Figure 3928DEST_PATH_IMAGE166
在第
Figure DEST_PATH_IMAGE174
次迭代的初值，将观测方程在所给初值处展开，并舍去二阶和二阶以上的小量后可得
Figure DEST_PATH_IMAGE176
     （35）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE178
为用参考历元
Figure 955178DEST_PATH_IMAGE118
时刻广播星历参数初值计算的卫星位置，分别为相应广播星历参数的改正值，
Figure DEST_PATH_IMAGE182
、
Figure DEST_PATH_IMAGE184
…为观测量对广播星历参数的偏导数。令
Figure DEST_PATH_IMAGE188
, 
Figure DEST_PATH_IMAGE190
, 
可得误差方程
    （36）
由最小二乘原理有
Figure DEST_PATH_IMAGE196
   （37）
则第
Figure 470734DEST_PATH_IMAGE174
次迭代后的广播星历参数估值为
Figure DEST_PATH_IMAGE198
    （38）
在实际计算时，所选用的迭代结束条件为
Figure DEST_PATH_IMAGE200
    （39）
其中，是预先给定的任意小的正数，
Figure DEST_PATH_IMAGE204
是第次迭代的单位权方差。
导航卫星的基本广播星历参数有16个：
Figure 691555DEST_PATH_IMAGE134
、
Figure 200159DEST_PATH_IMAGE136
、e、
Figure 614959DEST_PATH_IMAGE138
、
Figure 682141DEST_PATH_IMAGE140
、
Figure 680928DEST_PATH_IMAGE142
、
Figure 226179DEST_PATH_IMAGE144
、
Figure 761065DEST_PATH_IMAGE146
、
Figure 172717DEST_PATH_IMAGE148
、
Figure 222582DEST_PATH_IMAGE150
、
Figure 509207DEST_PATH_IMAGE152
、
Figure 397135DEST_PATH_IMAGE154
、
Figure 806120DEST_PATH_IMAGE156
、
Figure 280963DEST_PATH_IMAGE158
、
Figure 669482DEST_PATH_IMAGE160
、
Figure 975698DEST_PATH_IMAGE118
。由这16个参数可以计算卫星在地固坐标系中的位置坐标，计算步骤如下：
计算半长轴
Figure DEST_PATH_IMAGE206
：                           
Figure DEST_PATH_IMAGE208
计算卫星平均角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE210
：                   
Figure DEST_PATH_IMAGE212
计算瞬时历元到参考历元的时间差
Figure DEST_PATH_IMAGE214
：       
Figure DEST_PATH_IMAGE216
改正平角速度：                         
Figure DEST_PATH_IMAGE220
计算平近点角
Figure DEST_PATH_IMAGE222
：                        
Figure DEST_PATH_IMAGE224
迭代计算偏近点角：                    
Figure DEST_PATH_IMAGE228
计算真近点角：                         
Figure DEST_PATH_IMAGE232
计算纬度参数
Figure DEST_PATH_IMAGE234
：                         
计算周期改正项
Figure DEST_PATH_IMAGE238
、
Figure DEST_PATH_IMAGE240
、
Figure DEST_PATH_IMAGE242
：              
Figure DEST_PATH_IMAGE244
计算改正后的纬度参数：                 
Figure DEST_PATH_IMAGE248
计算改正后的向径
Figure DEST_PATH_IMAGE250
：                      
Figure DEST_PATH_IMAGE252
计算改正后的倾角
Figure 320965DEST_PATH_IMAGE174
：                      
Figure DEST_PATH_IMAGE254
计算卫星在轨道平面内的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE256
：        
Figure DEST_PATH_IMAGE258
改正升交点的经度
Figure DEST_PATH_IMAGE260
：                    
Figure DEST_PATH_IMAGE262
计算卫星在WGS84坐标系中的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE264
： 
Figure DEST_PATH_IMAGE266
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE268
和
Figure DEST_PATH_IMAGE270
分别为地球引力常数和地球自转角速度。
将位置坐标改写为
 
本发明未具体说明部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.基于星载处理器的自主定轨方法，其特征在于，通过星间精密测量得到星间精密测量值，即距离观测量， 对星间距离观测量进行时间归化，得到同一时刻的星间测距观测量；经过一段时间的累积，得到卫星的几何定位值；在卫星几何定位的基础上，进行卫星动力学定轨；轨道动力学外推然后输出预报星历，具体步骤如下：
步骤1：星间双向观测量生成
星间观测量并非连续获得，而是根据星间链路的节拍分时获取，假设节拍周期为                                                
Figure 929021DEST_PATH_IMAGE001
，起始时刻为
Figure 614955DEST_PATH_IMAGE002
，则在2
Figure 475595DEST_PATH_IMAGE001
时间内完成一次双向测量，具体为：
Figure 723037DEST_PATH_IMAGE002
时刻A星发B星收，
Figure 229979DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure 158752DEST_PATH_IMAGE001
时刻A星收B星发；+2时刻A星发C星收，
Figure 20901DEST_PATH_IMAGE002
+3
Figure 815681DEST_PATH_IMAGE001
时刻A星收C星发；以此类推，在一个测量周期内的第二个节拍，B星在完成测量的同时，将第一个节拍得到的测量数据发送回A星，即A星在一个测量周期内得到了AB星的双向测量数据；
步骤2：星间双向观测量归算
由于星间链路直接观测量为不同时刻的测量值，因此在用于自主定轨之前需要进行预处理，即将观测量归化到同一时刻，输入为本地卫星A与建链卫星B的多个周期接收时刻伪距观测值
Figure 883869DEST_PATH_IMAGE003
，输出值为将各周期接收时刻伪距归化到指定接收时刻对应的伪距
Figure 456113DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤3：几何定位
具体为：
（3.1）给定卫星初始位置
对于不同的卫星，建立不同的观测量方程组,
Figure 225224DEST_PATH_IMAGE005
                       （1）          
对式(1)进行求解，即得到卫星的位置坐标，对式(1)进行线性化，假设已知卫星的概略位置坐标
Figure 711700DEST_PATH_IMAGE006
，则只需对概略位置进行相应的改正即可得到卫星位置坐标，改正量用
Figure 173643DEST_PATH_IMAGE007
表示，此时得到的卫星位置坐标应为估计值，记为
Figure 378359DEST_PATH_IMAGE008
，于是有
Figure 249363DEST_PATH_IMAGE009
                                                  （2）
（3.2）对式（1）在卫星概略位置坐标处进行线性化，并忽略2阶以上高阶项，得
Figure 488770DEST_PATH_IMAGE010
         （3）
其中，
Figure 852886DEST_PATH_IMAGE011
为地面站
Figure 315133DEST_PATH_IMAGE012
到卫星
Figure 776201DEST_PATH_IMAGE013
距离的近似值
Figure 815832DEST_PATH_IMAGE014
     （4）
Figure 493676DEST_PATH_IMAGE015
为地面站
Figure 847428DEST_PATH_IMAGE012
到卫星
Figure 661538DEST_PATH_IMAGE013
的观测矢量的方向余弦，即
Figure 199967DEST_PATH_IMAGE016
        （5）
于是，令
Figure 538676DEST_PATH_IMAGE017
， 
Figure 319288DEST_PATH_IMAGE018
， 
Figure 754948DEST_PATH_IMAGE019
， 
Figure 136382DEST_PATH_IMAGE020
则式（3）可写成矩阵形式
Figure 788818DEST_PATH_IMAGE021
      （6）
令
Figure 546690DEST_PATH_IMAGE022
为式（6）的解算原则，即
Figure 836857DEST_PATH_IMAGE023
    （7）
则式（7）的最优解为
Figure 950044DEST_PATH_IMAGE024
     （8）
当观测的卫星只有3个时，式（8）的解为
Figure 263345DEST_PATH_IMAGE025
        （9）
当观测的卫星数量大于3个时，式（8）的解为
Figure 887224DEST_PATH_IMAGE026
   （10）
对（10）式给出加权最小二乘解为
Figure 468116DEST_PATH_IMAGE027
  （11）
其中，
Figure 519248DEST_PATH_IMAGE028
为观测权矩阵；
（3.3）用上一步计算结果更新卫星位置；
（3.4）比较两次计算结果，判断是否满足收敛标准，如果满足则直接输出卫星位置估计值；否则用这次计算的卫星位置作为初始值，返回步骤（3.2）继续计算；
步骤4：卫星动力学定轨
（4.1）给定卫星初始位置
动力学定轨即利用动力学模型，得到卫星的轨迹曲线，采用动力学离散模型为：
Figure 818380DEST_PATH_IMAGE029
   (12)
其中，
Figure 980371DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 245131DEST_PATH_IMAGE031
、、
Figure 988014DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 953696DEST_PATH_IMAGE034
、、
Figure 902115DEST_PATH_IMAGE036
分别为：当前历元轨道修正值、前一历元轨道修正值、模型噪声矩阵、观测值、观测矩阵、状态传递矩阵、观测误差矩阵；
应用扩展Kalman滤波方法对（12）式进行求解，其步骤如下：
（4.2）计算得到
Figure 677304DEST_PATH_IMAGE037
时刻的积分参考轨道
Figure 679633DEST_PATH_IMAGE038
和状态转移矩阵
Figure 653405DEST_PATH_IMAGE035
；
（4.3）从而得到预报状态
Figure 154925DEST_PATH_IMAGE039
Figure 712683DEST_PATH_IMAGE040
    （13）
（4.4）预测状态协方差矩阵
   （14）
其中，
Figure 51708DEST_PATH_IMAGE042
为模型噪声
Figure 284981DEST_PATH_IMAGE032
的协方差矩阵，
Figure 831500DEST_PATH_IMAGE043
为为上一状态的轨道估计值；
（4.5）计算新息向量及其协方差矩阵
    （15）
Figure 61679DEST_PATH_IMAGE045
  （16）
其中，
Figure 967318DEST_PATH_IMAGE046
为测量噪声的协方差矩阵，
Figure 938816DEST_PATH_IMAGE047
为新息向量，为新息向量的协方差矩阵，
（4.6）计算增益矩阵
Figure 342040DEST_PATH_IMAGE049
   （17）
（4.7）求解新的状态估计值
Figure 878236DEST_PATH_IMAGE050
   （18）
（4.8）更新状态协方差矩阵
   （19）
从而可以对
Figure 586746DEST_PATH_IMAGE037
时刻的积分参考轨道
Figure 945921DEST_PATH_IMAGE038
进行修正
Figure 193362DEST_PATH_IMAGE052
   （20）
（4.9）如果满足设定门限则直接输出结果，否则返回步骤（4.1）继续计算；
步骤5：星历参数拟合
设星历参考时刻
Figure 873874DEST_PATH_IMAGE053
，则
Figure 301182DEST_PATH_IMAGE053
相对于定轨时刻是未来时，需要将定轨时刻得到的轨道进行外推预报，
设动力学定轨得到的轨道为
Figure 16328DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 933206DEST_PATH_IMAGE055
为轨道历元，
Figure 428909DEST_PATH_IMAGE056
为轨道根数，这里的轨道外推涉及两个过程：一是将
Figure 895794DEST_PATH_IMAGE055
时刻的轨道预报到星历参考时刻
Figure 291878DEST_PATH_IMAGE053
，得到
Figure 881122DEST_PATH_IMAGE057
；二是为了计算星历参数所需的轨道外推，在
Figure 536226DEST_PATH_IMAGE058
时刻轨道的基础上外推1-2个小时。
2.根据权利要求1所述的基于星载处理器的自主定轨方法，其特征在于，所述星间双向观测量归算，具体做法为：
（1）首先确定本星需要建立双向测量的卫星数量，假设为
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，则一个测量周期为
Figure 243019DEST_PATH_IMAGE060
，
（2）确定不同测量值需要规化的时刻点，一般为某条测量链路起始时刻到测量周期的中点，即时刻；这时计算其它链路对应到此时刻点的值，由于测量链路为时分体制，因此对于不同的测量链路此时刻点不相同，
（3）每条测量链路分别进行归化计算，确保测量周期以及归化时刻点的前后数据大体相当，此时总的数据点数量假设为
Figure 431293DEST_PATH_IMAGE062
，
（4）计算插值系数矩阵，并根据系数矩阵和归化时刻点，计算归化时刻点测量值。
3.根据权利要求1所述的基于星载处理器的自主定轨方法，其特征在于，所述星历参数拟合，计算卫星位置所用到的基本广播星历参数有16个：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 66805DEST_PATH_IMAGE064
、e、
Figure DEST_PATH_IMAGE065
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 155907DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 74053DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 379002DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 946380DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure DEST_PATH_IMAGE075
、
Figure 260556DEST_PATH_IMAGE076
、，其中
Figure 322108DEST_PATH_IMAGE053
是作为已知量给出的，将16个参数中除外的15个作为待求参数，得相应的待估状态参数向量和观测方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE077
   （33）
Figure 291387DEST_PATH_IMAGE078
     （34）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE079
为参考历元时刻的广播星历参数，
Figure 378202DEST_PATH_IMAGE080
为一个含个观测量的观测列向量，一个观测量对应卫星的一个位置分量，
设
Figure 533940DEST_PATH_IMAGE082
为估值
Figure 872649DEST_PATH_IMAGE079
在第
Figure 528627DEST_PATH_IMAGE084
次迭代的初值，将观测方程在所给初值处展开，并舍去二阶和二阶以上的小量后可得
Figure DEST_PATH_IMAGE085
     （35）
式中，
Figure 134926DEST_PATH_IMAGE086
为用参考历元
Figure 781939DEST_PATH_IMAGE053
时刻广播星历参数初值计算的卫星位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE087
分别为相应广播星历参数的改正值，
Figure 44162DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure DEST_PATH_IMAGE089
…
Figure 175935DEST_PATH_IMAGE090
为观测量对广播星历参数的偏导数，令
,
Figure 403785DEST_PATH_IMAGE092
,
Figure DEST_PATH_IMAGE093
可得误差方程
Figure 657918DEST_PATH_IMAGE094
    （36）
由最小二乘原理有
  （37）
则第
Figure 243375DEST_PATH_IMAGE084
次迭代后的广播星历参数估值为
Figure 867254DEST_PATH_IMAGE096
   （38）
在实际计算时，所选用的迭代结束条件为
   （39）
其中，
Figure 385829DEST_PATH_IMAGE098
是预先给定的任意小的正数，
Figure DEST_PATH_IMAGE099
是第
Figure 810863DEST_PATH_IMAGE084
次迭代的单位权方差，
导航卫星的基本广播星历参数有16个：
Figure 673777DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 773451DEST_PATH_IMAGE064
、e、
Figure 536745DEST_PATH_IMAGE065
、、
Figure 781093DEST_PATH_IMAGE067
、、、
Figure 695194DEST_PATH_IMAGE070
、、
Figure 207133DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure 446484DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 508856DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure 505762DEST_PATH_IMAGE075
、、
Figure 343323DEST_PATH_IMAGE053
，由这16个参数可以计算卫星在地固坐标系中的位置坐标，计算步骤如下：
计算半长轴
Figure 78061DEST_PATH_IMAGE100
：                          
计算卫星平均角速度
Figure 998481DEST_PATH_IMAGE102
：                  
计算瞬时历元到参考历元的时间差：       
改正平角速度
Figure 104026DEST_PATH_IMAGE106
：                        
Figure DEST_PATH_IMAGE107
计算平近点角
Figure 321250DEST_PATH_IMAGE108
：                       
迭代计算偏近点角：                   
Figure DEST_PATH_IMAGE111
计算真近点角：                        
计算纬度参数：                        
Figure DEST_PATH_IMAGE115
计算周期改正项、、
Figure 838163DEST_PATH_IMAGE118
：             
Figure DEST_PATH_IMAGE119
计算改正后的纬度参数
Figure 124698DEST_PATH_IMAGE120
：                
Figure DEST_PATH_IMAGE121
计算改正后的向径
Figure 657442DEST_PATH_IMAGE122
：                     
Figure DEST_PATH_IMAGE123
计算改正后的倾角：                     
Figure 287192DEST_PATH_IMAGE124
计算卫星在轨道平面内的坐标：        
Figure 589866DEST_PATH_IMAGE126
改正升交点的经度
Figure DEST_PATH_IMAGE127
：                   
Figure 678914DEST_PATH_IMAGE128
计算卫星在WGS84坐标系中的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE129
： 
Figure 408841DEST_PATH_IMAGE130
其中，和
Figure 278446DEST_PATH_IMAGE132
分别为地球引力常数和地球自转角速度。
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