CN109506663B - 一种基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卫星星座高精度自主定轨方法。本方法针对高、中、低轨卫星星座自主定轨，采用多恒星‑目标卫星角距融合的分布式自主定轨方式，首先建立多恒星‑目标卫星角距信息预处理模型，计算观测卫星‑目标卫星连线的赤经赤纬，然后将角距信息联合星座卫星之间的相对距离测量作为观测量建立量测方程，最后结合星座轨道动力学递推，采用分布式方法，完成卫星星座的整网自主定轨。该方法自主性强、可靠性高、适用范围广。

Description

一种基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法

技术领域

本发明涉及卫星星座整网自主定轨技术，尤其是针对高中低轨卫星星座基于多星角距融合的分布式自主定轨技术。

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，星座卫星自主定轨作为星座自主运行的前提至关重要。

发明内容

本发明提供一种基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法，该方法能够完成高中低轨卫星星座高精度自主定轨。

本发明的构思是，卫星星座中观测卫星安装有星间观测相机和无线电收发机，星间观测相机通过对目标卫星照相观测得到连线矢量与多颗背景恒星视线矢量的多角距信息，经过预处理得到观测卫星-目标卫星连线的赤经赤纬，无线电收发机测量得到星间伪距。将卫星星座轨道动力学方程作为状态方程，将观测卫星-目标卫星连线的赤经赤纬和星间伪距作为观测量，输入至卡尔曼滤波器，采用分布式流程，利用扩展卡尔曼滤波算法独立估计出星座卫星的导航参数，最终完成卫星星座的整网自主定轨。

为达到上述发明目的，本发明的基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法，包括如下步骤：

S1)、建立多恒星-目标卫星角距信息预处理模型，完成多角距信息的预处理，计算出观测卫星-目标卫星连线的赤经赤纬；

S2)、以观测卫星和目标卫星的位置速度为状态量，建立自主定轨系统的状态方程；以多角距信息联合星座卫星之间的相对距离测量为观测量建立量测方程；

S3)、利用扩展卡尔曼滤波算法采用分布式方式估计观测卫星和目标卫星的导航参数，进行星座整网定轨，完成卫星星座的自主定轨。

进一步，步骤S1)中，以观测卫星和目标卫星在天球上的连线矢量与各恒星的角距测量值为半径作圆，多圆的交点即为观测卫星-目标卫星连线矢量的赤经赤纬，则有：

式中，k＝A,B,…，l_k为恒星k与目标卫星的角距测量值，(α_k，δ_k)为某颗恒星的赤经赤纬，(α_ij，δ_ij)为两星连线矢量的赤经赤纬。

对上式进行线性化，采用牛顿迭代法进行最优估计计算，则有线性化方程：

z_k＝a_k·Δδ_ij+b_k·Δα_ij

式中，

式中，

为两星连线矢量赤经赤纬的迭代优化值，(α_ij，δ_ij)的迭代初值可用两颗卫星推算的轨道值求取方向矢量得到。

写成矩阵形式如下：

Z＝PΔδ_ij+QΔα_ij＝M·X

式中，

M＝[P Q]，X＝[Δδ_ij Δα_ij]^T

通过最小二乘法估计(Δδ_ij,Δα_ij)后，采用下式进行修正：

式中，m为迭代次数，迭代一定次数或者修正残差小于一定门限时即可终止迭代。

进一步，步骤S2)中，以观测卫星和目标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分别表示观测卫星和目标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。

针对计算得到的观测卫星-目标卫星赤经赤纬信息，建立量测方程：

式中，

为根据多角距测量值得到的观测卫星-目标卫星连线赤经赤纬，

为根据轨道递推计算出的观测卫星-目标卫星连线赤经赤纬，V₁表示量测噪声。

针对相对目标卫星伪距观测量建立量测方程：

式中(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)分别表示观测卫星和目标卫星的位置坐标，v₂表示伪距量测噪声。

进一步，步骤S3)中，卫星星座内的每颗卫星都运行一个完整的卡尔曼滤波器，把目标卫星当做不确定度有了解的参考点，利用自身测量值和其余卫星提供的相关轨道参数独立完成导航参数估计，最终完成卫星星座的整网自主定轨。

本发明基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

(1)自主性较强

基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法不需要地面站支撑，完全依靠多星角距测量联合卫星星间伪距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定轨方法相比，利用多角距融合的星座分布式自主定轨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

卫星星座观测卫星安装星间观测相机和无线电收发机，目标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是本发明的基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法的流程图；

图2是本发明的卫星星自主定轨方案图。

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，本发明多角距融合的星座分布式自主定轨方法流程图如图1所示：

步骤S1)，以观测卫星和目标卫星在天球上的连线矢量与各恒星的角距测量值为半径作圆，多圆的交点即为观测卫星-目标卫星连线矢量的赤经赤纬，则有：

式中，k＝A,B,…，l_k为恒星k与目标卫星的角距测量值，(α_k，δ_k)为某颗恒星的赤经赤纬，(α_ij，δ_ij)为两星连线矢量的赤经赤纬。

对上式进行线性化，采用牛顿迭代法进行最优估计计算，则有线性化方程：

z_k＝a_k·Δδ_ij+b_k·Δα_ij (2)

式中，

式中，

为两星连线矢量赤经赤纬的迭代优化值，(α_ij，δ_ij)的迭代初值可用两颗卫星推算的轨道值求取方向矢量得到。

写成矩阵形式如下：

Z＝PΔδ_ij+QΔα_ij＝M·X (6)

式中，

M＝[P Q]，X＝[Δδ_ij Δα_ij]^T

通过最小二乘法估计(Δδ_ij,Δα_ij)后，采用下式进行修正：

式中，m为迭代次数，迭代一定次数或者修正残差小于一定门限时即可终止迭代。

步骤S2)，以观测卫星和目标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分别表示观测卫星和目标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。

针对计算得到的观测卫星-目标卫星赤经赤纬信息，建立量测方程：

式中，

为根据多角距测量值得到的观测卫星-目标卫星连线赤经赤纬，

为根据轨道递推计算出的观测卫星-目标卫星连线赤经赤纬，V₁表示量测噪声。

针对相对目标卫星伪距观测量建立量测方程：

式中(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)分别表示观测卫星和目标卫星的位置坐标，v₂表示伪距量测噪声。

步骤S3)，如图2所示，卫星星座内的每颗卫星都运行一个完整的卡尔曼滤波器，把目标卫星当做不确定度有了解的参考点，利用自身测量值和其余卫星提供的相关轨道参数独立完成导航参数估计，最终完成卫星星座的整网自主定轨。

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)

1.一种基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)、建立多恒星-目标卫星角距信息预处理模型，完成多角距信息的预处理，计算出观测卫星-目标卫星连线的赤经赤纬；

S2)、以观测卫星和目标卫星的位置速度为状态量，建立自主定轨系统的状态方程；以多角距信息联合星座卫星之间的相对距离测量为观测量建立量测方程；

S3)、利用扩展卡尔曼滤波算法采用分布式方式估计观测卫星和目标卫星的导航参数，进行星座整网定轨，完成卫星星座的自主定轨；

所述的步骤S1)中，以观测卫星和目标卫星在天球上的连线矢量与各恒星的角距测量值为半径作圆，多圆的交点即为观测卫星-目标卫星连线矢量的赤经赤纬，则有：

式中，k＝A,B,…，l_k为恒星k与目标卫星的角距测量值，(α_k，δ_k)为某颗恒星的赤经赤纬，(α_ij，δ_ij)为两星连线矢量的赤经赤纬；

对上式进行线性化，采用牛顿迭代法进行最优估计计算，则有线性化方程：

z_k＝a_k·Δδ_ij+b_k·Δα_ij

式中，

式中，

为两星连线矢量赤经赤纬的迭代优化值，

的迭代初值用两颗卫星推算的轨道值求取方向矢量得到；

写成矩阵形式如下：

Z＝PΔδ_ij+QΔα_ij＝M·X

式中，

M＝[P Q]，X＝[Δδ_ij Δα_ij]^T

通过最小二乘法估计(Δδ_ij,Δα_ij)后，采用下式进行修正：

式中，m为迭代次数，迭代一定次数或者修正残差小于一定门限时即可终止迭代。

2.如权利要求1所述基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法，其特征在于：所述的步骤S2)中，以观测卫星和目标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分别表示观测卫星和目标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所述基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法，其特征在于：针对计算得到的观测卫星-目标卫星赤经赤纬信息，建立量测方程：

式中，

为根据多角距测量值得到的观测卫星-目标卫星连线赤经赤纬，

为根据轨道递推计算出的观测卫星-目标卫星连线赤经赤纬，V₁表示量测噪声；

针对相对目标卫星伪距观测量建立量测方程：

式中(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)分别表示观测卫星和目标卫星的位置坐标，v₂表示伪距量测噪声。

4.如权利要求3所述基于多角距融合的星座分布式自主定轨方法，其特征在于：所述的步骤S3)中，卫星星座内的每颗卫星都运行一个完整的卡尔曼滤波器，把目标卫星当做不确定度有了解的参考点，利用自身测量值和其余卫星提供的相关轨道参数独立完成导航参数估计，最终完成卫星星座的整网自主定轨。

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