CN109459017A - 一种利用外部基准辅助的星座自主导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卫星星座自主导航方法。本方法针对高、中、低轨卫星星座自主导航，采用外部基准辅助星间链路测距的自主导航方式，首先在卫星星座中选取2‑3颗基准卫星星安装X射线脉冲星导航仪完成X射线脉冲星导航以提供星座绝对信息，然后卫星星座完成基于星间链路的基准卫星‑基准卫星、基准卫星‑自主卫星、自主卫星‑自主卫星星间测距，最后结合星座轨道动力学递推，利用扩展卡尔曼算法，完成星座的自主导航。该方法自主性强、可靠性高、适用范围广。

Description

一种利用外部基准辅助的星座自主导航方法

技术领域

本发明涉及卫星星座自主导航技术，尤其是针对高中低轨卫星星座基于X射线脉冲星联合星间链路的整网星座自主导航技术。

背景技术

利用多颗卫星建立卫星星座，能够实现全球导航、通信、侦查以及全球环境监测等单颗卫星难以完成的任务。比如，天基高轨卫星星座可以完成对导航目标的预警；中轨导航卫星星座能够提供全球导航信息；低轨通信卫星星座能够覆盖陆、海、空、天多维空间，支持话音、数据、短消息等多种业务类型，满足数字化战场对信息传输实时性、作战地域广泛性以及终端小型化的要求。为保障卫星星座在地面站布设受限、甚至战时被摧毁情况下仍然能够有效地发挥作用，必须使星座具备较长时间的自主运行能力。因此，星座卫星自主导航作为星座自主运行的前提至关重要。

发明内容

本发明提供一种利用外部基准辅助的星座自主导航方法，该方法能够完成高中低轨卫星星座高精度自主导航。

本发明的构思是，卫星星座基准卫星安装有X射线脉冲星导航仪和无线电收发机，X射线脉冲星导航仪通过对X脉冲星辐射的X射线光子进行累积观测，通过对多个周期观测的光子到达时间进行拟合，得到具有较高分辨率的脉冲轮廓影像，进而确定信号相位的到达时间，通过计算转换为距离观测量；自主卫星安装无线电收发机，无线电收发机测量得到基准卫星-自主卫星星间距离观测量。将星座卫星轨道动力学方程作为状态方程，将X射线脉冲星导航距离观测量和卫星星间距离观测量作为量测量，输入至卡尔曼滤波器，利用扩展卡尔曼滤波算法估计基准卫星和自主卫星的导航参数，进行星座整网定轨，完成卫星星座的自主导航。

为达到上述发明目的，本发明的利用外部基准辅助的星座自主导航方法，包括如下步骤：

S1)、以基准卫星和自主卫星的位置速度为状态量，建立星座自主导航系统的状态方程；

S2)、以基准卫星X射线脉冲星自主导航信息结合星座卫星之间的测距信息，建立系统的量测方程；

S3)、利用扩展卡尔曼滤波算法估计基准卫星和自主卫星的导航参数，进行星座整网定轨，完成卫星星座的自主导航。

进一步，步骤S1)中，以基准卫星和自主卫星的位置速度为状态量，仅考虑二阶带谐项建立的自主导航系统状态方程：

式中X₁、X₂分别表示基准卫星和自主卫星的位置速度状态量，Δf₁、Δf₂分别表示地球非球形引力高阶摄动、日月光压摄动等。

进一步，步骤S2)中，首先将基准卫星X射线脉冲星导航的时间差观测量转换为距离观测量：

式中，r_SC＝X₁为基准卫星在太阳质心坐标系中的位置，n为X射线脉冲星的位置矢量，D₀为X射线脉冲星到原点的距离，b为太阳的位置矢量，μ_Sun为太阳引力常数，c为X射线脉冲信号的传播速度。

然后针对X射线脉冲星观测量建立量测方程：

ρ_psr＝ρ_{psr_c}+v₁

式中ρ_{psr_c}表示根据动力学递推计算的距离，v₁表示X射线脉冲星导航量测噪声。

最后针对基准卫星-自主卫星星间间测距观测量建立量测方程：

式中(x₁,y₁,z₁)^T、(x₂,y₂,z₂)^T分别表示基准卫星和自主卫星的位置坐标，v₂表示星间链路测距信息量测噪声。

进一步，步骤S3)中，根据已建立的系统状态方程和量测方程，利用扩展卡尔曼滤波算法，估计基准卫星和自主卫星的导航参数，进行星座整网定轨，最终完成卫星星座的自主导航。

本发明利用外部基准辅助的星座自主导航方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

(1)自主性较强

利用外部基准辅助的星座自主导航方法不需要地面测控站支撑，完全依靠外部基准辅助星间链路测量并结合轨道动力学递推完成星座的整网定轨，自主性强。

(2)适用范围较广

与现有的卫星星座自主导航方法相比，利用外部基准辅助的星座自主导航方法可同时适用于高、中、低轨卫星星座，适用范围较广。

(3)可靠性较高

卫星星座基准卫星安装X射线脉冲星导航仪和无线电收发机，自主卫星安装无线电收发机，涉及导航敏感器较少且测量量获取相对简单，因此自主导航系统的可靠性高。

附图说明

图1是本发明的利用外部基准辅助的星座自主导航方法的流程图；

图2是本发明的卫星星座自主导航方案图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

结合图1至图2，本发明利用外部基准辅助的星座自主导航方法的流程图如图1所示：

步骤S1)，以基准卫星和自主卫星的位置速度为状态量，仅考虑二阶带谐项建立的自主导航系统状态方程：

式中X₁、X₂分别表示基准卫星和自主卫星的位置速度状态量，Δf₁、Δf₂分别表示地球非球形引力高阶摄动、日月光压摄动等。

步骤S2)，首先将基准卫星X射线脉冲星导航的时间差观测量转换为距离观测量：

式中，r_SC＝[x,y,z]^T为基准卫星在太阳质心坐标系中的位置，n为X射线脉冲星的位置矢量，D₀为X射线脉冲星到原点的距离，b为太阳的位置矢量，μ_Sun为太阳引力常数，c为X射线脉冲信号的传播速度。

然后针对X射线脉冲星观测量建立量测方程：

ρ_psr＝ρ_{psr_c}+v₁(3)

式中ρ_{psr_c}表示根据动力学递推计算的距离，v₁表示X射线脉冲星导航量测噪声。

最后针对基准卫星-自主卫星星间间测距观测量建立量测方程：

式中(x₁,y₁,z₁)^T、(x₂,y₂,z₂)^T分别表示基准卫星和自主卫星的位置坐标，v₂表示星间链路测距信息量测噪声。

步骤S3)，如图2所示，根据已建立的系统状态方程和量测方程，利用扩展卡尔曼滤波算法，估计基准卫星和自主卫星的导航参数，进行星座整网定轨，最终完成卫星星座的自主导航。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用外部基准辅助的星座自主导航方法，其特征在于包括如下步骤：

S1)、以基准卫星和自主卫星的位置速度为状态量，建立星座自主导航系统的状态方程；

S2)、以基准卫星X射线脉冲星自主导航信息结合星座卫星之间的测距信息，建立系统的量测方程；

S3)、利用扩展卡尔曼滤波算法估计基准卫星和自主卫星的导航参数，进行星座整网定轨，完成卫星星座的自主导航。

2.如权利要求1所述利用外部基准辅助的星座自主导航方法，其特征在于：所述的步骤1中，以基准卫星和自主卫星的位置速度为状态量，仅考虑二阶带谐项建立的自主导航系统状态方程：

式中X₁、X₂分别表示基准卫星和自主卫星的位置速度状态量，Δf₁、Δf₂分别表示地球非球形引力高阶摄动、日月光压摄动。

3.如权利要求2所述利用外部基准辅助的星座自主导航方法，其特征在于：所述的步骤2中，首先将基准卫星X射线脉冲星导航的时间差观测量转换为距离观测量：

式中，r_SC＝X₁为基准卫星在太阳质心坐标系中的位置，n为X射线脉冲星的位置矢量，D₀为X射线脉冲星到原点的距离，b为太阳的位置矢量，μ_Sun为太阳引力常数，c为X射线脉冲信号的传播速度；

然后针对X射线脉冲星观测量建立量测方程：

ρ_psr＝ρ_{psr_c}+v₁

式中ρ_{psr_c}表示根据动力学递推计算的距离，v₁表示X射线脉冲星导航量测噪声；

最后针对基准卫星-自主卫星星间间测距观测量建立量测方程：

式中(x₁,y₁,z₁)^T、(x₂,y₂,z₂)^T分别表示基准卫星和自主卫星的位置坐标，v₂表示星间链路测距信息量测噪声。

4.如权利要求1所述利用外部基准辅助的星座自主导航方法，其特征在于：所述的步骤3中，根据已建立的系统状态方程和量测方程，利用扩展卡尔曼滤波算法，估计基准卫星和自主卫星的导航参数，进行星座整网定轨，最终完成卫星星座的自主导航。