CN115639580A - 卫星自主导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种卫星自主导航方法，包括：将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利用激光星间链路传入轨道面主卫星中，从而将测距信息集中处理并完成轨道面内各卫星的轨道信息更新，以利用Ka星间链路指向切换灵活特性与激光链路高速通信特性，避免激光终端异轨面通信困难、指向切换不便。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种卫星自主导航方法。
背景技术
卫星自主导航是指卫星不借助外界支持，星体自身独立确定卫星天上 位置，速度等信息。Ananda首先提出了通过观测与他星的星间距离，实现 自身卫星导航信息确定的星座卫星自主导航技术。利用GPS星座卫星星间、 星地UHF频段的相互测距，Ananda提出的自主导航算法首先成功应用于 GPS BLOCK IIR星座卫星中。星上利用星间观测信息对长期预报星历的校 正，在75天内，GPS BLOCK IIR星座卫星用户测距精度误差(URE)小 于3m。
中国的北斗三号全球导航系统于2018年底完成了北斗三号基本系统 的星座卫星部署，并计划于2020年完成全部卫星的发射任务，向全球提供 导航信号服务。为了克服无法在全球充分布站的困难，使卫星在地面无法 支持的区域仍具有高精度的位置时间信息的基准，北斗三号卫星也采用了 星间链路自主导航技术。卫星采用性能更好的Ka链路实现星间/星地双向 测距。Ka链路3s内可完成本星与他星的双向测距的工作，在前1.5s完成 他星发本星收的通信测距，而在后1.5s完成本星发他星收的通信测距。通 过此种建链模式，北斗卫星按拟定好的建链规划表与他星依次建链，一般 在周期内可与14颗不同卫星进行建链。但目前，已公布的北斗卫星自主导 航精度均为依据实测星间测距值的地面仿真结果，还未有资料公布在轨北 斗卫星自主导航精度。
根据星间测距值处理方式的不同，星间链路自主导航算法分为集中式 自主导航算法与分布式自主导航算法。由于卫星通信能力以及星上处理能 力等条件限制，目前无论GPS星座卫星或北斗星座卫星均采用分布式导航 算法在轨实现自主导航。周期内，导航卫星通过与多颗卫星实现双向星间 测距，并接收这些卫星的导航电文，实现卫星自身轨道信息的确定。然而， 在分布式星座卫星导航算法中，本星接收的他星导航电文为他星上一周期 导航信息的一步预报结果，其必将存在一定误差。因而相比于集中式导航 算法，分布式导航算法的精度将不可避免的受到损失。
随着星上处理器处理能力的增强以及激光星间高速通信技术，星内高 速总线技术的突破，卫星已具备星上实现集中式导航算法的能力。但传统 的集中式自主定轨算法一般指将星座内所有卫星测距信息集中处理运算， 从而得到星座中所有卫星的导航信息。而由于激光终端存在着异轨面通信 困难，指向切换不便等缺陷，传统的全星座卫星集中式定轨算法难以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星自主导航方法，以解决现有的传统的 全星座卫星集中式定轨算法难以实现的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星自主导航方法，所述卫星 自主导航方法包括：
将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利用激光星间链路传入轨 道面主卫星中，从而将测距信息集中处理并完成轨道面内各卫星的轨道信 息更新，以利用Ka星间链路指向切换灵活特性与激光链路高速通信特 性，避免激光终端异轨面通信困难、指向切换不便。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，
使得北斗卫星具备星间星内高速通信能力及星内高速运算处理能力， 以开展集中式自主导航算法研究以提升北斗卫星自主导航精度
搭建了与星内一致的仿真环境对算法精度及性能进行验证，确保同轨 道区域集中自主导航算法在星内仿真环境中稳定运行，且其导航精度优于 分布式自主导航精度。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，
通过同轨道卫星区域集中定轨算法采用Ka链路进行本星与其他多颗 卫星的快速双向通信及测距，并采用激光链路实现卫星与同轨道相邻两星 的星间建链，进而进行同轨道内星座卫星信息的高速通信；
轨道面内卫星将与他星的星间测距信息通过激光链路集中传输于主卫 星中，主卫星对轨道面内卫星导航信息集中更新，并下发于各卫星中；
该过程随同轨道卫星区域集中定轨算法更新周期不断重复，从而实现 同轨道卫星的精确定轨。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，
星座中的每个轨道面内均设置一颗主卫星及多颗子卫星，除主卫星外 的其他卫星均为子卫星，通过主卫星对轨道面内各子卫星获得的双向测距 信息集中处理，得到轨道面内各卫星的导航信息。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，
各子卫星采用Ka星间链路执行本星与他星的星间测距；
北斗卫星利用Ka链路实现星间指向的尽快切换及星间测距；
北斗卫星均配置Ka星间链路载荷，北斗卫星Ka链路采用相控阵技术， 通过改变Ka相控阵天线的波束相位，使Ka天线阵的波束指向随之改变。
根据设定好的卫星建链规划，各卫星通过快速改变相控阵天线的波束 指向，实现卫星与多颗他星的星间相互测距。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，
星座内各子卫星首先完成卫星自身导航信息的预报，子卫星将测距信 息与本星导航预报信息一并传入同轨道主卫星中；
主卫星接收到子卫星传入的星间测距信息及卫星导航预报信息后，首 先对所采集的子卫星测距信息进行修正，以得到所需的自主导航观测信息；
由于测距信息中存在着轨道面内卫星与面外卫星的星间双向测距信 息，主卫星将完成未传入预报信息的异轨各星的轨道信息预报，将观测信 息与各星导航预报信息一并代入滤波更新算法，得到同轨子卫星轨道信息 的更新；
最后，主卫星将更新后的同轨子卫星的轨道信息分别下发于各子卫星 中，使各子卫星完成本星轨道信息的更新。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，在星座中的每个轨道面内均 设置一颗主卫星及多颗子卫星，通过主卫星对轨道面内各子卫星获得的双 向测距信息进行集中处理，得到轨道面内各卫星的导航信息；
各子卫星采用Ka星间链路执行本星与他星的星间测距，子卫星通过切 换Ka天线相控阵相位执行与周围卫星的切换建链测距，以获取本星与同轨 道面各卫星的星间测距信息、以及本星与异轨道面卫星的星间测距信息；
各子卫星采用激光链路与同轨道相邻两星建链，以执行同轨道面内各 卫星间的高速数据通信；
同轨道面内各子卫星将信息传入主卫星中，主卫星利用同轨区域集中 式导航算法执行轨道面内各卫星的精确定轨。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，所述卫星自主导航方法还包 括：
星座内各子卫星完成本星导航信息的预报，利用Ka星间链路，各子卫 星完成与他星的双向测距，并通过Ka星间链路通信完成本星对他星测距信 息的接收；子卫星将星间测距信息与本星导航预报信息通过激光链路一并 传入同轨道主卫星中；
主卫星在接收到子卫星传入的星间测距信息及本星导航预报信息后， 对所采集的星间测距信息进行修正，以得到所需的自主导航观测信息；
由主卫星对未传入导航预报信息的异轨各星的轨道信息进行预报；
由主卫星将自主导航观测信息与各星导航预报信息代入滤波更新算 法，得到同轨子卫星轨道信息的更新；
由主卫星将更新后的同轨子卫星轨道信息分别下发于各子卫星中，使 各子卫星完成本星轨道信息的更新。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，星座内各子卫星完成本星导 航信息的预报包括：
星座内各子卫星采用星上自主预报方法，通过在星上对卫星动力学建 模，得到卫星本时刻轨道的预报信息；
集中式导航算法轨道信息预报模型由(1)式得到
式中，RSAT和VSAT是惯性系下卫星位置及速度向量，
为RSAT的导数， 
为VSAT的导数，aSAT为卫星加速度向量，
和
分别为卫星位置及速 度的过程噪声信息；
所述卫星受到地球中心引力、地球非球形引力、日月三体引力及太阳 光压摄动力作用；
依据公式(2)计算卫星加速度信息aSAT；
aSAT＝aTB+aNS+aNB+aSRP (2)
其中：采用4*4阶WGS84重力模型计算卫星所受地球中心引力加速度 aTB及地球非球形引力加速度aNS；
采用JPL DE405星历计算日月位置计算卫星所受日月三体引力加速度 aNB；
采用球模型计算卫星所受太阳光压摄动力加速度aSRP。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，利用Ka星间链路，各子卫星 完成与他星的双向测距，并通过Ka星间链路通信完成本星对他星测距信息 的接收包括：
设定卫星在t1时刻，t2时刻分别完成卫星A发卫星B收的星间测距与 卫星B发卫星A收的星间测距，测距值分别为ρAB(t1)与ρBA(t2)；
建立星间测距模型，得到星间测距值与卫星轨道信息的关系，如公式 (3)所示：
式中，δtA，δtB分别为卫星A及卫星B的钟差，△t为星间信号光行时，
分别表示双星收发时延误差，
分别为测距 误差改正项，包括相位中心偏差、相对论效应误差、对流层及电离层延迟 误差，εAB，εBA为双向测距观测噪声，
为惯性系下卫星A的位置，
为 惯性系下卫星B的位置；
所述测距误差改正项依据误差模型去除；
将双星收发时延误差并入钟差中，得到与双星t1时刻与t2时刻轨道信息 和钟差信息相关的星间测距信息模型，如公式(4)所示：
式中，
分别为两个星间测距信息的误差改正值；
通过双星轨道与钟差信息的预报估计，将修正后的星间双向测距信息 的收发时间均归算到待更新时刻tk处，如公式(5)所示：
将星间测距信息中包含的位置信息与钟差信息分离，得到用于轨道信 息更新的自主导航轨道观测量
如公式(6)所示：
ε为分离后的轨道信息观测噪声。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，对所采集的星间测距信息进 行修正，以得到所需的自主导航观测信息包括：
将公式(6)在卫星轨道预报估计点处以泰勒公式一阶近似，得到双星 测距观测方程(7)：
式中
分别为tk时刻卫星A及卫星B的预报位置矢量，
分别为卫星A及卫星B的一阶位置信息改正量，disAB(tk) 为tk时刻卫星A，B间轨道预报距离，disAB(tk)由公式(8)计算得到：
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，主卫星将自主导航观测信息 与各星导航预报信息代入滤波更新算法，得到同轨子卫星轨道信息的更新 包括：
所述集中式导航算法滤波模型为公式(9)：
式中分别为集中式导航算法的状态方程与观测方程；Φ(tk,tk-1)为上一时 刻tk-1到待更新时刻tk的状态转移矩阵；
Xk-1＝(RSAT(tk-1),VSAT(tk-1))表示第k-1时刻卫星轨道滤波更新结果，
为基于Xk-1得到的第k时刻的轨道预报信息；
通过比较集中式自主导航算法中，采集的观测量与由观测方程计算得 到的观测量估计的差值，经推广卡尔曼滤波算法得到第k时刻轨道信息的一 阶改正值△xk＝(△RSAT(tk),△VSAT(tk))；
将一阶改正项△xk加在预报信息
中得到k时刻的滤波更新结果Xk，经 过多个周期的循环迭代，由推广卡尔曼滤波算法更新输出的卫星轨道信息 逐渐完成对卫星真实轨道信息的逼近。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，各卫星配置有Ka星间链路载 荷，利用Ka星间链路执行星间指向的切换及星间测距；通过改变Ka相控 阵天线的波束相位，使Ka天线阵的波束指向随之改变；根据设定好的卫星 建链规划，各卫星通过改变Ka相控阵天线的波束指向，执行卫星与多颗他 星的星间相互测距；
各卫星配置有激光星间链路载荷，经初始对准后，各卫星与相邻卫星 长时间保持建链，所述激光星间链路载荷的通信速率为1Gbps的星间高速 通信；
各卫星配置有具备高速运算处理能力的处理器，所述处理器峰值频率 为200MHz，定点峰值性能为400MIPS，峰值浮点性能为200MFLOPS，可 用内存达512M；
各卫星配备spacewire高速总线接口，通过spacewire高速总线执行星 内的高速通信；spacewire总线通信速率为200Mbps。
可选的，在所述的卫星自主导航方法中，所述卫星自主导航方法还包 括：
搭建星内仿真环境验证卫星同轨区域集中式自主导航算法；
标准轨道生成器生成星座所有卫星标准轨道，所述标准轨道用于星间 测距仿真值的生成，以及作为标称值对由算法得到的卫星导航信息精度进 行评估；
轨道预报仿真器在算法周期伊始生成轨道面内子卫星当前周期的轨道 预报，并将其发于所述处理器；
星间测距仿真器通过卫星建链表得到各卫星的测距时序，根据各星测 量时序，并考虑光行时，利用标准轨道生成器生成各星测距时刻的标准轨 道，从而得到各星间测距信息，在各星间测距信息中再分别加入收发时延 误差和相对论效应误差，相位中心偏差，电离层对流层时延等改正误差， 以及相应的测距噪声，得到相应的星间测距仿真信息；
所述处理器运行同轨区域集中式自主导航算法；
上位计算机用于控制所述处理器运行，以及通过对所述处理器输出数 据采集，对同轨区域集中式自主导航算法定轨精度和算法稳定性进行评估。
本发明还提供一种卫星自主导航系统，所述卫星自主导航系统包括星 座中的每个轨道面内的一颗主卫星及多颗子卫星，其中：
通过主卫星对轨道面内各子卫星获得的双向测距信息集中处理，得到 轨道面内各卫星的导航信息；
各子卫星采用Ka星间链路执行本星与他星的星间测距，子卫星通过切 换Ka天线相控阵相位执行与周围卫星的切换建链测距，以获取本星与同轨 道面各卫星的星间测距信息、以及本星与异轨道面卫星的星间测距信息；
各子卫星上安装的星载激光终端采用激光链路与同轨道相邻两星建 链，以执行同轨道面内各卫星间的高速数据通信；
同轨道面内各子卫星将信息传入主卫星中，主卫星利用集中式导航算 法执行轨道面内各卫星的精确定轨。
在本发明提供的卫星自主导航方法中，利用Ka星间链路指向切换灵 活特性与激光链路高速通信特性，并克服激光终端异轨面通信困难，指向 切换不便等缺陷，算法设计将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利 用激光星间链路传入轨道面主卫星中，从而将测距信息集中处理并完成轨 道面内各卫星的轨道信息更新。
北斗卫星已初步具备星间星内高速通信能力及星内高速运算处理能 力，因而可开展集中式自主导航算法研究以提升北斗卫星自主导航精度。 本发明基于最新北斗卫星配置，提出了一种同轨区域集中的北斗卫星自主 导航算法。并且，本发明还搭建了与星内一致的仿真环境对算法精度及性 能进行验证。仿真结果表明，同轨道区域集中自主导航算法可在星内仿真 环境中稳定运行，且其导航精度远优于分布式自主导航精度。
本发明设计了一种同轨道卫星区域集中定轨算法。算法采用Ka链路实 现本星与其他多颗卫星的快速双向通信及测距，并采用激光链路实现卫星 与同轨道相邻两星的星间建链，进而实现同轨道内星座卫星信息的高速通 信。轨道面内卫星将与他星的星间测距信息通过激光链路集中传输于主卫 星中，主卫星对轨道面内卫星导航信息集中更新，并下发于各卫星中。该 过程随算法更新周期不断重复，从而实现同轨道卫星的精确定轨。
随着星上设备的不断升级，新一代北斗卫星的通信能力以及运算处理 能力，相比于之前卫星，已大大提高。具体而言，北斗卫星CA34，CA35 首次搭载了龙芯1E300处理器，并完成了其在轨应用测试。龙芯1E300处 理器峰值频率可达200MHz，可用内存达512M。同时，该龙芯处理器配有 spacewire总线接口，可结合一并搭载的spacewire总线，实现最大速率200Mbps的星内通信。并且，我国已完成了基于激光星间链路的北斗卫星 组网论证工作，并于2017年提出了在北斗卫星上增加激光星间链路功能的 计划。当前的星载激光终端已具有1Gbps高速通信的能力，若在星上使用 可实现星间信息的高速传输。目前北斗卫星星上配置已具备实现集中式定 轨算法所需的高速数据通信与高速运算处理的能力。因而，本发明将基于 此配置，对星上集中式自主导航算法进行设计并对其可行性进行研究。
同时，为评估同轨区域集中自主导航算法应用于北斗卫星中的可行性， 本发明也搭建了与北斗卫星星上环境相同的仿真环境，并将算法运行于该 仿真环境之中，对算法的性能以及算法稳定性均进行了仿真验证。
附图说明
图1是本发明一实施例卫星自主导航方法的推广卡尔曼滤波算法原理 示意图；
图2是本发明另一实施例同轨区域集中式自主导航算法原理示意图；
图3是本发明另一实施例同轨区域集中式自主导航算法流程示意图；
图4是本发明另一实施例同轨区域集中式自主导航算法仿真环境示意 图；
图5是本发明另一实施例卫星自主导航方法各星轨道预报精度图；
图6是本发明另一实施例卫星自主导航方法同轨区域集中式自主导航 定轨精度图；
图7是现有的分布式自主导航定轨精度图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的卫星自主导航方法作进一 步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清 楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅 用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种卫星自主导航方法，以解决现有的传 统的全星座卫星集中式定轨算法难以实现的问题。
由于受卫星数据传输能力及卫星星上运算处理能力的限制，目前北斗 导航卫星采用分布式导航算法实现星间链路自主导航。但随着星上运算处 理能力的不断提高，以及星间/星内通信带宽的增强，北斗卫星的星上配置 已可满足集中式导航算法要求。因而，基于北斗卫星星上配置，本发明提 出了一种星上可用的集中式导航算法，同轨区域集中导航算法。在同轨道 区域集中导航算法中，星座中的每个轨道面内均设置一颗主星，通过主星对轨道面内各星获得的双向测距信息集中处理，得到轨道面内各卫星的导 航信息。
为实现上述思想，本发明提供了一种星座同轨道面卫星自主导航方法 及导航系统，所述星座同轨道面卫星自主导航系统包括星座中的每个轨道 面内的一颗主卫星及多颗子卫星，其中：通过主卫星对轨道面内各子卫星 获得的双向测距信息集中处理，得到轨道面内各卫星的导航信息；各子卫 星采用Ka星间链路执行本星与他星的星间测距，子卫星通过切换Ka天线 相控阵相位执行与周围卫星的切换建链测距，以获取本星与同轨道面各卫 星的星间测距信息、以及本星与异轨道面卫星的星间测距信息；各子卫星 上安装的星载激光终端采用激光链路与同轨道相邻两星建链，以执行同轨 道面内各卫星间的高速数据通信；同轨道面内各子卫星将信息传入主卫星 中，主卫星利用集中式导航算法执行轨道面内各卫星的精确定轨。
<实施例一>
本实施例提供了一种卫星自主导航方法，所述卫星自主导航方法包 括：星座中的每个轨道面内均设置一颗主卫星及多颗子卫星(例如除主卫 星外的其他卫星均为子卫星)，通过主卫星对轨道面内各子卫星获得的双向 测距信息集中处理，得到轨道面内各卫星的导航信息；各子卫星采用Ka 星间链路执行本星与他星的星间测距，子卫星通过切换Ka天线相控阵相位 执行与周围卫星的切换建链测距，以获取本星与同轨道面各卫星的星间测 距信息、以及本星与异轨道面卫星的星间测距信息；各子卫星上安装的星 载激光终端采用激光链路与同轨道相邻两星建链，以执行同轨道面内各卫 星间的高速数据通信；同轨道面内各子卫星将信息传入主卫星中，主卫星 利用同轨区域集中式导航算法执行轨道面内各卫星的精确定轨。
为在星座卫星中实现集中式自主导航算法，卫星需具有高速的星间、 星内通信能力，快速的星间指向切换能力，精确的星间测距能力以及强大 的星上运算处理能力。新一代北斗卫星经过星上配置的不断更新，卫星已 达到了集中式自主导航算法所需的性能要求。
首先，北斗卫星可利用Ka链路实现星间指向的快速切换及精确的星间 测距。新一代北斗卫星均配置有Ka星间链路载荷。北斗卫星Ka链路采用 相控阵技术，通过改变Ka相控阵天线的波束相位，可使Ka天线阵的波束 指向随之改变。因而，根据设定好的卫星建链规划，各卫星通过快速改变 相控阵天线的波束指向，可实现卫星与多颗他星的星间相互测距。目前， 北斗卫星在5分钟的周期内可实现与14颗不同卫星进行建链测距，星间测 距误差小于0.1m。
第二，北斗卫星可利用激光星间链路实现卫星的高速星间通信。我国 于2017年提出了在北斗卫星上增加激光星间链路功能的计划。目前激光通 信载荷的研制正有序开展。根据目前激光终端能力，若卫星携有激光星间 链路终端，将实现1Gbps星间高速通信，因而可实现大量星间信息的高速 传输。
第三，北斗卫星可利用龙芯1E300处理器满足集中式导航算法的运算 要求。龙芯1E300处理器是中科龙芯公司最新研发的宇航级处理器，其具 有较高的抗辐照阈值及单粒子锁定阈值，因而该处理器可以可靠地在北斗 卫星中使用。北斗卫星CA34，CA35首次搭载了龙芯1E300处理器，并完 成了其在轨应用测试。龙芯1E300处理器峰值频率可达200MHz，定点峰 值性能为400MIPS，峰值浮点性能为200MFLOPS，可用内存达512M。相 比于之前的处理器，其主频和内存容量都有着大幅提高。后续龙芯1E300 处理器将逐步替代现有处理器，从而提高北斗卫星运算能力。
第四，北斗卫星可利用spacewire总线实现星内的高速通信。龙芯1E300 处理器均配备有spacewire高速总线接口，因而可通过spacewire高速总线 实现星内的高速通信。Spacewire总线通信速率可达200Mbps，可充分满足 集中式算法要求。Spacewire总线与龙芯1E300处理器已一并搭载于北斗卫 星CA34，CA35之上，且已完成了星内的高速通信测试。
综上所述，基于Ka星间链路，激光星间链路，龙芯1E300处理器， 及spacewire星内总线的北斗卫星星上配置，可充分满足集中式导航算法的 应用要求。
虽然基于上述星上配置可满足集中式导航算法性能要求，但仍需对集 中式导航算法进行重新设计以适应此星上配置。激光星间链路是实现集中 式自主导航算法的重要一环，需要利用其高速通信能力以传输大量的星间 测距信息及各星状态信息。但激光终端的使用却存在诸多限制。首先，由 于北斗星座异轨面卫星通信具有星间距离远，多普勒频移严重，动态变化 剧烈等特点，激光星间链路并不适合异轨面通信。再者，激光波束极窄，双向对准困难，因而其也不适合频繁切换指向链路。最后，由于激光终端 为机械终端，其转动能力及安装数量的限制也将极大地影响激光链路的使 用。因而，基于上述激光链路的条件制约，本发明设计了一种同轨道卫星 区域集中自主导航算法。
同轨区域集中自主导航算法设计如图2所示。首先，星座卫星采用Ka 链路实现本星与他星的星间测距。如图中No.1卫星所示，北斗卫星可通过 切换Ka天线相控阵相位实现与周围卫星的快速切换建链测距，建链测距情 形如图中虚线所示。需要说明的是，虽然算法为同轨道卫星导航算法，但 算法仍需要获取轨道面内各卫星与面外卫星的星间测距信息，以丰富星间 测距几何构型，提升同轨道卫星测距精度。而后，星座卫星采用激光链路与同轨道相邻两星建链，从而实现同轨道面内各卫星间的高速数据通信。 如图中No.1～8卫星所形成轨道为例，图中星间实线连线为该轨道内相邻卫 星激光建链所形成的同轨激光高速通信网络。由于同轨道卫星间仰角及方 位角变化较小，因而同轨道内相邻星间激光链路可长期保持稳定建链。并 且，相邻卫星激光建链也充分考虑了激光终端安装数量限制的因素。最后， 轨道面内各卫星将信息传入主卫星中，主卫星即可利用集中式导航算法实现轨道面内各卫星的精确定轨。设图中No.5卫星为主卫星，图中箭头表示 No.1～8卫星将测距信息传入No.5卫星的过程。
同轨区域集中自主导航算法的具体实现流程如图3所示。星座内各子 卫星首先完成卫星自身导航信息的预报。并且，利用Ka星间链路，各子卫 星完成与他星的双向测距，并通过Ka星间链路通信完成本星对他星测距信 息的接收。而后，子卫星将测距信息与本星导航预报信息一并传入同轨道 主卫星中。
主卫星接收到子卫星传入的星间测距信息及卫星导航预报信息后，首 先对所采集的子卫星测距信息进行修正，以得到所需的自主导航观测信息。 而后，由于测距信息中存在着轨道面内卫星与面外卫星的星间双向测距信 息，主卫星将完成未传入预报信息的异轨各星的轨道信息预报。然后，将 观测信息与各星导航预报信息一并代入滤波更新算法，得到同轨子卫星轨 道信息的更新。最后，主卫星将更新后的同轨子卫星的轨道信息分别下发 于各子卫星中，使各子卫星完成本星轨道信息的更新。
集中式导航算法是一种动力学定轨方法。算法首先利用卫星动力学模 型获得各星轨道预报信息。而后，基于采集的星间/星地测距信息，利用相 应的Kalman滤波算法对各星轨道预报信息进行集中修正，从而得到实时的 各卫星导航信息。
在集中式自主导航算法中，为实现星座各卫星轨道信息的更新修正， 需首先建立适当的预报模型，以对各卫星的轨道信息进行估计。对于星间 链路自主导航算法，常用的预报方法有星上自主预报法与上注长期预报星 历法。为尽可能摆脱算法对地面的依赖，本发明采用的为星上自主预报方 法。星上自主预报法通过在星上对卫星动力学准确建模，得到卫星本时刻 轨道的预报信息。
集中式自主导航算法轨道信息预报模型可由下式得到
式中，RSAT和VSAT是惯性系下卫星位置及速度向量，
为RSAT的导数， 
为VSAT的导数，aSAT为卫星加速度向量，
和
分别为卫星位置及速 度的过程噪声信息。
对于北斗卫星，除地球中心引力外，影响其轨道运动的主要作用力还 包括地球非球形引力，日月三体引力以及太阳光压等摄动力。
因而，在预报模型中，依据公式(2)计算卫星加速度信息aSAT。式中 各作用力作用于卫星的加速度可分别通过建模计算得到。在本发明的设计 中，采用4*4阶WGS84重力模型计算卫星所受地球中心引力aTB及非球形 引力加速度aNS；采用JPL DE405星历计算日月位置，进而计算卫星所受日 月三体引力加速度aNB；采用球模型计算卫星所受光压摄动力加速度aSRP。
aSAT＝aTB+aNS+aNB+aSRP (2)
轨道信息预报模型一般采用数值积分进行求解。为节约星上资源，采 用RKF4(5)数值积分方法实现星上卫星轨道的预报计算。
集中式导航算法利用星座卫星双星间的相互测距信息，建立算法观测 量以及观测方程。下面对观测量及观测方程的建立方法做具体介绍。
集中式导航算法观测量可通过卫星A，B双向测距信息计算得到，方 法如下。
设定卫星在t1时刻，t2时刻分别完成卫星A发B收的星间测距与卫星B 发A收的星间测距，测距值分别为ρAB(t1)与ρBA(t2)。则可建立星间测距模型， 得到星间测距值与卫星轨道信息的关系，如公式(3)所示。
式中，δtA，δtB分别为卫星A，B的钟差，△t为星间信号光行时；
在星间双向测距信息模型的各项误差中，测距误差改正项中包含的相 位中心偏差，相对论效应误差以及对流层及电离层延迟误差均可依据 IERSConvention2003提出的误差模型去除。并且，可将卫星收发时延误差 并入钟差信息中，在自主导航算法与钟差量一同计算修正。因而，通过对 原始测距值的误差修正，可分别得到仅与卫星A，Bt1时刻与t2时刻轨道信 息和钟差信息相关的星间测距信息模型。如公式(4)所示。
式中，
分别为两测距值的误差改正值。
而后，通过双星轨道与钟差信息的预报估计，可将修正后的星间双向 测距信息的收发时间均归算到待更新时刻tk处，即如公式(5)所示形式。
最后，如公式(6)所示，将星间测距信息中包含的位置信息与钟差信 息分离，即可得到用于轨道信息更新的自主导航轨道观测量
ε为分离后的轨道信息观测噪声。
由于式(6)为非线性方程，为方便后续使用Kalman滤波算法更新卫 星轨道信息，将式(6)在卫星轨道预报估计点处以泰勒公式一阶近似，可 得到如公式(7)所示方程。
式中
分别为tk时刻卫星A及卫星B的预报位置矢量，
分别为卫星A及卫星B的一阶位置信息改正量，disAB(tk)为tk时刻卫星A，B间轨道预报距离，可由公式(8)计算得到。
因此，将卫星A，B一阶位置速度误差改正量作为星间测距自主导航 状态向量，式(7)即为卫星观测方程。
集中式导航算法一般利用扩展卡尔曼滤波算法(EKF)实现滤波更新。 由于EKF滤波算法是对一阶改正项的修正，因此，滤波模型可表示为公式 (9)所示形式。
式中两式分别为集中式导航算法的状态方程与观测方程。Φ(tk,tk-1)为上 一时刻t0到待更新时刻tk的状态转移矩阵。
EKF滤波算法原理可由图1表示。图中，Xk-1＝(RSAT(tk-1),VSAT(tk-1))表示第k-1 时刻卫星轨道滤波更新结果。
为基于Xk-1得到的第k时刻的轨道预报信 息。通过比较集中式自主导航算法中，采集的观测量与由观测方程计算得 到的观测量估计的差值，可经滤波算法得到第k时刻轨道信息的一阶改正 值△xk＝(△RSAT(tk),△VSAT(tk))。将一阶改正项△xk加在预报信息
中即可得到k 时刻的滤波更新结果Xk。经过多个周期的循环迭代，由滤波算法更新输出 的卫星轨道信息将逐渐完成对卫星真实轨道信息的逼近。
由于地面激光通信验证成本较高，本发明仅搭建星内仿真环境验证本 发明设计的北斗卫星同轨区域集中式自主导航算法。激光通信传输速度远 优于星内传输速度，因而不加入激光通信仿真不会对算法验证的有效性产 生影响。如图4所示，仿真环境由一台标准轨道生成器，一台轨道预报仿 真器，一台星间测距模拟器，一块龙芯1E300处理器，1台龙芯处理器上 位机组成。其中，为模拟星内通信环境，轨道预报仿真器，星间测距仿真 器与龙芯处理器间均通过spacewire总线完成通信。其他各设备间通信均为 网络通信，方便实时的数据传输与处理。
标准轨道生成器用于生成星座所有卫星标准轨道。标准轨道可用于星 间测距仿真值的生成，以及作为标称值对由算法得到的卫星导航信息精度 进行评估。标准轨道生成器中卫星动力学模型和数值积分算法如表1所示。
表1标准轨道生成器卫星动力学模型
轨道预报仿真器用于在算法周期伊始生成轨道面内子卫星当前周期的 轨道预报，并将其发于龙芯1E300板卡。卫星轨道预报算法按上述轨道信 息预报模型设计。根据在轨卫星经验，轨道预报光压模型精度在2％～10％ 之间，并且也为充分评估同轨区域集中自主导航算法性能，在预报模型中 又分别添加了0％，2％，5％，10％的光压摄动力系统误差。
由预报轨道模型与标准轨道模型对比可知，标准轨道模型采用了更为 复杂的地球引力场模型，增加了潮汐摄动等小量级摄动力模型。同时，预 报轨道中的光压模型也依据在轨经验加入了适量的误差。因而，虽然设计 的标准轨道与真实北斗卫星轨道存在一定误差，但其与预报轨道的差值可 充分反应在轨卫星轨道预报精度。
星间测距仿真器用于生成所有星间测距的仿真信息。首先，通过卫星 建链表得到各卫星的测距时序。在本发明设计的卫星建链表中，卫星每3s 完成一次与他星的双向测距，测距星数不超过11颗。而后，根据各星测量 时序，并考虑光行时，利用标准轨道生成器生成各星测距时刻的标准轨道， 从而得到各星间测距信息。最后，在各星间测距信息中再分别加入收发时 延误差和相对论效应误差，相位中心偏差，电离层对流层时延等改正误差， 以及相应的测距噪声，可得到相应的星间测距仿真信息。
同轨道区域集中自主导航算法运行于龙芯1E300处理器之中，以评估 算法星上运行处理能力。龙芯上位计算机用于控制龙芯处理器运行，以及 通过对龙芯处理器输出数据采集，对同轨区域集中自主导航算法定轨精度 和算法稳定性进行评估。
根据北斗星座卫星部署规划，本发明设计24颗MEO北斗星座卫星的 仿真场景，各卫星运行轨道均按规划轨道设计，卫星编号简化为1～24号。 设计自主导航算法运行周期为5min。在周期内的第1，2min，各子卫星完 成与他星的双向测距，自身轨道信息预报及信息的传输工作，主卫星完成 异轨道面各卫星的轨道信息预报。在第3，4min中，主卫星完成测距信息 的处理和各子卫星的轨道信息更新。在第5min中，主卫星将更新后的子卫 星轨道信息下发于各子卫星中，子卫星完成自身轨道信息的更新。设计自 主导航算法仿真时长为30天。
本发明首先完成对卫星轨道预报算法的评估。通过与标准轨道生成器 产生的标准轨道信息对比，可分别得到各卫星轨道预报算法精度。
图5为整网各卫星的轨道预报信息URE误差。横轴为各卫星编号，纵 轴为各星座卫星轨道预报URE，卫星基于不同动力学模型的预报误差在图 中以不同颜色表示。如图5所示，当引入0％，2％，5％，10％的光压误差 时，30天星座卫星轨道预报URE误差均值分别为67m，111m，219m，422m。
式中：△R为轨道径向误差，△T为轨道切向误差，△N为轨道法向误 差。利用所述仿真环境及所述场景，对同轨区域集中自主导航算法精度进 行了仿真计算。同时，在同样的环境及场景中，本发明也仿真计算了传统 的分布式自主导航算法精度，以形成与同轨区域集中自主导航算法的比较。
在同轨区域集中自主导航算法中，算法对同轨道面内各卫星采集到的 星间链路测距值进行集中处理，以实现对同轨道卫星的轨道信息的集中确 定。同时，由于星间测距信息中存在着少量异轨各星与轨道面内各星的测 距值，异轨各星的轨道信息也可相应计算，用于下一时刻异轨各星轨道信 息的预报。周期内，轨道面内各星星间链路平均数量为10条，轨道面外各 星星间链路平均数量为3条。而在分布式自主导航算法中，各卫星仅处理各自星间链路测距值，以完成自身卫星轨道的确定。周期内，各卫星星间 链路平均数量为10条。图6图7分别为基于不同轨道预报精度下的同轨区 域集中算法自主导航精度及分布式算法自主导航精度。图6～7中，横轴为 各卫星编号，纵轴为星座各卫星导航信息的URE，卫星基于不同动力学模 型的导航误差在图中以不同颜色表示。
由于集中式算法可得到全局最优解，因而采用本发明提出的同轨区域 集中自主导航算法，可得到精度极高的同轨道面各星座卫星轨道更新信息。 由图6中仿真结果可知，当30天星座卫星轨道预报URE均值分别为67m， 111m，219m，422m时，利用同轨区域集中导航算法，星座同轨道面卫星 URE均值分别为0.12m，0.12m，0.17m，0.17m。而对于轨道面外各星座卫 星，由于采集的观测信息较少，因而相比于星座同轨道面卫星，轨道面外 卫星导航信息估计误差稍大，轨道面外卫星URE误差均值分别为0.28m， 0.30m，0.39m，0.40m。虽然轨道面外卫星定轨误差相对于星座同轨道面卫 星有所放大，但仍远优于分布式自主导航算法定轨精度。如图7所示，当 30天星座卫星轨道预报URE误差均值分别为67m，111m，219m，422m时，利用分布式自主导航算法各卫星URE最大误差均值分别为0.43m， 1.05m，1.81m，3.87m。相比于本发明提出的同轨区域集中式导航算法，分 布式自主导航算法精度明显较差。且随着各星座卫星轨道预报误差的增大， 各星定轨误差也明显增大，因而分布式自主导航算法更易受到轨道预报精 度的影响。
通过以上分析可知，利用本发明设计的同轨区域自主导航算法，同轨 道各卫星定轨URE误差小于0.2m。且同轨区域集中自主导航算法受各星 轨道预报误差影响较小，其精度远优于传统的分布式自主导航算法定轨精 度。
在完成同轨区域集中式自主导航算法精度评估的同时，基于搭建的星 内仿真环境，本发明也完成了算法性能的仿真评估。根据仿真结果，星间 测距仿真器按建链规划表中的各星测距时序完成各星间链路的仿真测距， 用时33s。龙芯1E300芯片在周期的第3min开始采集处理测距信息预报信 息并运算同轨区域集中自主导航算法，约38s完成相应计算。星间测距用 时与算法运算处理用时均满足算法运行周期要求。并且，算法完成了30天的连续测试，因而算法可在星上环境中长时间稳定运行。
本发明基于最新北斗卫星的高速数据通信与高速运算处理能力，并考 虑了激光终端异轨面通信困难，指向切换不便等缺陷，设计了一种同轨区 域集中的北斗卫星自主导航算法。技术效果如下：
1)通过对最新北斗卫星的星上配置分析，卫星已具有高速的星间、星 内通信能力，快速的星间指向切换能力，精确的星间测距能力以及强大的 星上运算处理能力。卫星星上配置可完全满足集中式自主导航算法所需的 性能要求。
2)考虑激光终端异轨面通信困难，指向切换不便等缺陷，设计了同轨 区域集中自主导航算法。算法结合了Ka星间链路指向切换灵活特性与激光 链路高速通信特性，采用Ka链路实现本星与其他多颗卫星的快速双向通信 及测距，采用激光链路实现卫星与同轨道相邻两星的星间建链，进而实现 同轨道内星座卫星信息的高速通信。此建链设计方法可使同轨道卫星星间 测距信息集中采集处理，使集中式自主导航算法在星上得以实现。
3)相比于分布式自主导航算法，同轨区域集中自主导航算法具有更高 的精度，且较少受卫星预报精度误差及噪声干扰。经测试，当星座卫星30 天轨道各星URE均值分别为67m，111m，219m，422m时，运用同轨区域 集中自主导航算法，同轨道卫星URE均值小于0.2m。
4)本发明搭建了与在轨卫星一致的仿真环境。并将同轨区域集中自主 导航算法运行与该仿真环境下。经仿真测试，算法33s可完成各星间链路 的仿真测距，38s可完成星间数据的采集及区域集中自主导航算法的运算， 且算法可连续30天稳定运行。该测试也进一步验证了算法在轨运行的可行 性。
综上，上述实施例对卫星自主导航方法的不同构型进行了详细说明， 当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施 例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领 域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
<实施例二>
本实施例提供一种卫星自主导航系统，所述卫星自主导航系统包括星 座中的每个轨道面内的一颗主卫星及多颗子卫星，其中：通过主卫星对轨 道面内各子卫星获得的双向测距信息集中处理，得到轨道面内各卫星的导 航信息；各子卫星采用Ka星间链路实现本星与他星的星间测距，子卫星通 过切换Ka天线相控阵相位实现与周围卫星的切换建链测距，获取本星与同 轨道面各卫星的星间测距信息，以及本星与异轨道面卫星的星间测距信息； 各子卫星上安装的星载激光终端采用激光链路与同轨道相邻两星建链，实 现同轨道面内各卫星间的高速数据通信；同轨道面内各子卫星将信息传入 主卫星中，主卫星利用集中式导航算法实现轨道面内各卫星的精确定轨。
在本发明提供的卫星自主导航方法中，利用Ka星间链路指向切换灵 活特性与激光链路高速通信特性，并克服激光终端异轨面通信困难，指向 切换不便等缺陷，算法设计将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利 用激光星间链路传入轨道面主卫星中，从而将测距信息集中处理并完成轨 道面内各卫星的轨道信息更新。
北斗卫星已初步具备星间星内高速通信能力及星内高速运算处理能 力，因而可开展集中式自主导航算法研究以提升北斗卫星自主导航精度。 本发明基于最新北斗卫星配置，提出了一种同轨区域集中的北斗卫星自主 导航算法。并且，本发明还搭建了与星内一致的仿真环境对算法精度及性 能进行验证。仿真结果表明，同轨道区域集中自主导航算法可在星内仿真 环境中稳定运行，且其导航精度远优于分布式自主导航精度。
本发明设计了一种同轨道卫星区域集中定轨算法。算法采用Ka链路实 现本星与其他多颗卫星的快速双向通信及测距，并采用激光链路实现卫星 与同轨道相邻两星的星间建链，进而实现同轨道内星座卫星信息的高速通 信。轨道面内卫星将与他星的星间测距信息通过激光链路集中传输于主卫 星中，主卫星对轨道面内卫星导航信息集中更新，并下发于各卫星中。该 过程随算法更新周期不断重复，从而实现同轨道卫星的精确定轨。
随着星上设备的不断升级，新一代北斗卫星的通信能力以及运算处理 能力，相比于之前卫星，已大大提高。具体而言，北斗卫星CA34，CA35 首次搭载了龙芯1E300处理器，并完成了其在轨应用测试。龙芯1E300处 理器峰值频率可达200MHz，可用内存达512M。同时，该龙芯处理器配有 spacewire总线接口，可结合一并搭载的spacewire总线，实现最大速率200Mbps的星内通信。并且，我国已完成了基于激光星间链路的北斗卫星 组网论证工作，并于2017年提出了在北斗卫星上增加激光星间链路功能的 计划。当前的星载激光终端已具有1Gbps高速通信的能力，若在星上使用 可实现星间信息的高速传输。目前北斗卫星星上配置已具备实现集中式定 轨算法所需的高速数据通信与高速运算处理的能力。因而，本发明将基于 此配置，对星上集中式自主导航算法进行设计并对其可行性进行研究。
同时，为评估同轨区域集中自主导航算法应用于北斗卫星中的可行性， 本发明也搭建了与北斗卫星星上环境相同的仿真环境，并将算法运行于该 仿真环境之中，对算法的性能以及算法稳定性均进行了仿真验证。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的 都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即 可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以 描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何 限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修 饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (6)
1.一种卫星自主导航方法，其特征在于，所述卫星自主导航方法包括：
将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利用激光星间链路传入轨道面主卫星中，从而将测距信息集中处理并完成轨道面内各卫星的轨道信息更新，以利用Ka星间链路指向切换灵活特性与激光链路高速通信特性，避免激光终端异轨面通信困难、指向切换不便。
2.如权利要求1所述的卫星自主导航方法，其特征在于，
使得北斗卫星具备星间星内高速通信能力及星内高速运算处理能力，以开展集中式自主导航算法研究以提升北斗卫星自主导航精度
搭建了与星内一致的仿真环境对算法精度及性能进行验证，确保同轨道区域集中自主导航算法在星内仿真环境中稳定运行，且其导航精度优于分布式自主导航精度。
3.如权利要求1所述的卫星自主导航方法，其特征在于，
通过同轨道卫星区域集中定轨算法采用Ka链路进行本星与其他多颗卫星的快速双向通信及测距，并采用激光链路实现卫星与同轨道相邻两星的星间建链，进而进行同轨道内星座卫星信息的高速通信；
轨道面内卫星将与他星的星间测距信息通过激光链路集中传输于主卫星中，主卫星对轨道面内卫星导航信息集中更新，并下发于各卫星中；
该过程随同轨道卫星区域集中定轨算法更新周期不断重复，从而实现同轨道卫星的精确定轨。
4.如权利要求1所述的卫星自主导航方法，其特征在于，
星座中的每个轨道面内均设置一颗主卫星及多颗子卫星，除主卫星外的其他卫星均为子卫星，通过主卫星对轨道面内各子卫星获得的双向测距信息集中处理，得到轨道面内各卫星的导航信息。
5.如权利要求1所述的卫星自主导航方法，其特征在于，
各子卫星采用Ka星间链路执行本星与他星的星间测距；
北斗卫星利用Ka链路实现星间指向的尽快切换及星间测距；
北斗卫星均配置Ka星间链路载荷，北斗卫星Ka链路采用相控阵技术，通过改变Ka相控阵天线的波束相位，使Ka天线阵的波束指向随之改变。
根据设定好的卫星建链规划，各卫星通过快速改变相控阵天线的波束指向，实现卫星与多颗他星的星间相互测距。
6.如权利要求1所述的卫星自主导航方法，其特征在于，
星座内各子卫星首先完成卫星自身导航信息的预报，子卫星将测距信息与本星导航预报信息一并传入同轨道主卫星中；
主卫星接收到子卫星传入的星间测距信息及卫星导航预报信息后，首先对所采集的子卫星测距信息进行修正，以得到所需的自主导航观测信息；
由于测距信息中存在着轨道面内卫星与面外卫星的星间双向测距信息，主卫星将完成未传入预报信息的异轨各星的轨道信息预报，将观测信息与各星导航预报信息一并代入滤波更新算法，得到同轨子卫星轨道信息的更新；
最后，主卫星将更新后的同轨子卫星的轨道信息分别下发于各子卫星中，使各子卫星完成本星轨道信息的更新。
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