專利名稱：一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法
技術領域：
本發明涉及一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，它是一種實現多航天器星座分散化自主導航的信息處理方法。該方法在基于星間測量進行自主導航定軌的各種軌道構型的多航天器任務中得到有效應用，經改進后亦可在星座星-地聯合定軌系統中獲得應用。屬于航天器自主導航技術領域。
背景技術：
在當今科學探測、技術應用、乃至軍事斗爭中，航天活動正發揮著日益重要甚至不可替代的作用。在各類航天計劃中，使用多航天器構成一個整體空間系統的任務模式以其分布協同化構型、多樣靈活的功能組合、高任務效率和低風險等特點，可在更高的技術水平上滿足日益復雜多樣的任務要求，是航天技術發展的重要趨勢之一。目前已取得廣泛成功的人造衛星星座即屬于多航天器任務的典型應用。包括通信衛星、導航衛星以及部分對地觀測衛星均采用了衛星組網構成星座的方式。星座自主運行是指衛星在不依賴地面設施的情況下，自主確定星座狀態和維持星座構型，在軌完成飛行任務所要求的功能或操作。與以地面測控為主的傳統模式相比，自主運行能大大降低星座運行和管理成本、減小系統風險，是一種必然的發展趨勢。自主導航為星座構形控制提供測量數據，是衛星星座實現自主運行和控制的前提和基礎，尤其對于導航星座來講，實現星座的自主導航不僅能夠實現戰時星座的自主生存，還肩負著為星座系統提供高精度廣播星歷，從而提高用戶的定位精度以及整個導航系統性能的重任。從上世紀70年代開始，美國、俄羅斯和歐空局先后研究了多種衛星自主導航方案。目前星座自主導航主要有兩種技術途徑(I)依靠單星自主導航實現星座自主軌道確定。這種方法依靠星座中每個單星獨立完成定軌，主要手段包括通過衛星導航定位或采用天文導航技術。前者實際上仍依賴GPS這樣的人造系統，嚴格地說不是完全自主的導航方式。后者則實現了完全自主導航測量，但目前精度還相對較低。(2)基于星間測量的星座自主導航。從原理上來說，基于星間測量的自主導航把衛星星座成員成對地當作若干基線很長的重力測量儀，則星座成員相對運動變化體現的引力場信息與絕對位置關聯。通過測量星座成員衛星相互之間的相對運動狀態，包括相對距離、相對距離變化率和視線方位，可用來改進衛星的預報星歷，從而提高星座整網導航定軌精度。美國從20世紀80年代就開始研究GPS星座的自主運行問題，1984年Markley提出可以通過測量星間矢量在慣性空間的投影確定兩顆衛星的軌道，Ananda等隨后公布了關于GPS自主導航可行性的研究成果，1985年初美國空軍空間系統部委托IBM開展關于自主導航算法的深入研究。從2000年起，具備自主導航功能的GPS Block IIR系列進入全面測試階段，其自主導航的基本思想就是利用星間偽距測量數據，對地面控制中心注入的軌道預報數據進行改進。但是截至目前有關GPS星座自主導航試驗的具體數據仍未見披露。在理論研究和實驗方面，Psiaki指出，由于非中心引力的存在，衛星間的相對運動通過絕對引力場的變化與位置相關，因此上述方法可以適用于各種地球衛星以及其他行星星座的定軌。劉林、Hill等人的工作進一步表明，僅依靠星間相對測距進行自主導航的可觀測性隨著星座成員衛星所處引力場不對稱度的增大而提高。多個天體共同作用或具有較強非對稱性的引力場有利于絕對導航狀態估計；反之，在引力場結構接近對稱的情形下，僅僅依靠相對測距只能構成空間的相對位置約束，無法測量星座的整體旋轉。因此在星間測距基礎上，陳培提出加入基于星載多接收機載波相位的星間測向信息以提高導航估計性能；陳金平等提出基于星敏感器測量衛星相對方位，進而確定星座相對慣性參考坐標系方位的軌道；熊凱則引入X射線脈沖星觀測獲得了理論上更精確的星間方位信息。Yim等則表明僅根據星間方位測量即可實現中心引力場中的完全自主定軌。基于星間測量的自主導航技術正呈現多種方案同時發展的趨勢，可以預見將成為星座自主導航的重要甚至首選方式。作為基于星間測量的星座自主導航的關鍵技術，導航算法的設計必須考慮如下要點。首先在導航信息來源方面，星間測量是多個航天器協同和并行的過程；第二，在系統構型上，星座中航天器數目往往較多，而且星間鏈路可用性和拓撲結構具有時變的特點；第三，為了完成導航信息的融合與分發，要求各成員航天器協同工作。然而，由于導航狀態估計算法結構的限制，當前的星座自主導航方案大多采用整網集中定軌或群組分片集中定軌的方式，在每個群組中指定中心航天器，負責獲取和存儲群組各成員航天器的觀測信息，并調用批處理算法或卡爾曼濾波算法同時確定出群組中所有衛星的軌道參數或導航狀態。算法的集中化勢必導致導航計算量和計算流程均集中于中心航天器，同時增加了系統運行風險，而且不利于星座鏈接構型變化時的算法結構調整，亦不利于解決不同航天器節點測量信息的非同步采樣問題。隨著星座成員數目的增加和構型多樣化，上述問題還會更加突出。研究者們逐步認識到，采用分散化的算法方案是應對上述困難的有效途徑。已提出的方案將各成員航天器觀測任務分散化，以順序級聯的方式進行全局狀態的觀測更新。雖然將觀測更新過程分解到相應的成員航天器中進行，但仍然將星座整網或群組看作一個整體進行導航狀態估計。相較于集中式算法，此類方法很好地處理了分布式觀測的問題，但由于沒有實現濾波算法的徹底分散化，群組中相關的每個航天器需要依次對全局狀態進行更新，存在單個航天器計算量大、星間通信量反而有所增加、以及系統容錯性能不高等缺點。綜上所述，分散化協同運行已成為基于星間測量的星座自主導航系統重要的發展趨勢，將構成其自主運行的關鍵環節，然而目前從算法結構上尚無完整實用的分散化方法。本發明就是專門針對這一難點問題，基于星間測量和信息共享技術，提出在星間觀測、狀態估計、故障檢測以及系統重構等方面均按照分散化原則設計的自主導航系統和方法，實現系統功能和算法運行的高度分散化，旨在為各類基于星間測量的星座自主導航系統提供一種有效的技術方案。
發明內容
I、目的:本發明針對航天器星座自主運行的需要，目的是提供一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法。該方法可以較好地解決現有系統方案在算法結構上的不足。、
2、技術方案一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，方法實施的載體為由多個航天器按照一定構型組成的星座。星座中每個航天器配置有星載計算機、星間相對距離測量設備、星間相對速度測量設備、星間相對方位觀測設備以及星間無線通信設備，具備進行導航計算、星間測量及星間通信功能。每個航天器在星間網絡中所處的位置平等，在計算功能上亦等同。按照航天器與子濾波器一一對應的原則，將星座自主導航問題分解為對各成員航天器系統狀態的估計問題，各子濾波器負責對應航天器的導航估計。在星座整體導航濾波算法中對應一個子濾波器。參見
圖1，該方法采用遞推計算方式實現，記k(k=l, 2，3...)為計算步序號，tk為對應的特征時刻，以一個計算更新周期[tk，tk+1]為例，該方法具體步驟如下 步驟I :各子濾波器初始化；步驟2 :各子濾波器進行本地狀態采樣；步驟3 :各子濾波器進行時間更新；步驟4 :各航天器之間建立星間通信鏈路并保持跟蹤。對于建立鏈路且相互跟蹤成功航天器，進入步驟5。對于未成功建立任何鏈路的航天器，進入步驟11 ；步驟5 已建立星間鏈路的航天器進行星間跟蹤觀測。對于成功進行星間觀測的航天器，根據可用的星間觀測確定本地相關觀測模型，進入步驟6。對于未成功進行星間觀測的航天器，執行步驟11 ;步驟6 :經星間鏈路共享各子濾波器的狀態采樣信息；步驟7 :各子濾波器進行本地相關量測采樣；步驟8 :各子濾波器進行量測更新；步驟9 :各子濾波器進行性能監控，判斷其運行是否正常。若判斷結果為正常，則執行步驟10。否則執行步驟11;步驟10 :各子濾波器將步驟8的量測更新結果作為本地導航估計輸出，返回步驟I，開始執行下一個計算周期；步驟11 :各子濾波器將步驟3的時間更新結果作為本地導航估計輸出，返回步驟1，開始執行下一個計算周期。其中，步驟I中所述的各子濾波器初始化，其實現方法為各子濾波器初始化是指確定各子濾波器在當前計算時刻tk的本地系統狀態估計初值A反相應的誤差協方差矩陣初值對于整體算法的起始時刻，即h時刻，各子濾波器系統狀態估計初值文丨包括相應本地航天器在慣性參照坐標系中的位置矢量估計初值&和速度矢量估計初值^。X0+= ；Y⑴
KJ0(1)設h時刻本地航天器的系統狀態真實值為Xtl,則相應的誤差協方差矩陣初值e按照下式計算Pxx (-X0 -X0] I(2)
若缺乏系統狀態真實值Xtl的必要信息，亦可根據工程經驗確定。對于tk(k=l，2，…)時刻，文丨和等于上一步計算時刻的估計輸出。其中，步驟2中所述的各子濾波器進行本地狀態采樣，其實現方法為各子濾波器依據tk時刻本地狀態估計初值Ya及相應的誤差協方差矩陣初值Pn ,，并行地使用下面的對稱采樣算法計算相應的本地狀態采樣if :
權利要求
1.一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟I :各子濾波器初始化； 步驟2 :各子濾波器進行本地狀態采樣； 步驟3 :各子濾波器進行時間更新； 步驟4 :各航天器之間建立星間通信鏈路并保持跟蹤；對于建立鏈路且相互跟蹤成功航天器，進入步驟5 ;對于未成功建立任何鏈路的航天器，進入步驟11 ； 步驟5 :已建立星間鏈路的航天器進行星間跟蹤觀測；對于成功進行星間觀測的航天器，根據可用的星間觀測確定本地相關觀測模型，進入步驟6 ;對于未成功進行星間觀測的航天器，執行步驟11 ; 步驟6 :經星間鏈路共享各子濾波器的狀態采樣信息； 步驟7 :各子濾波器進行本地相關量測采樣； 步驟8 :各子濾波器進行量測更新； 步驟9 :各子濾波器進行性能監控，判斷其運行是否正常；若判斷結果為正常，則執行步驟10，否則執行步驟11 ； 步驟10 :各子濾波器將步驟8的量測更新結果作為本地導航估計輸出，返回步驟1，開始執行下一個計算周期； 步驟11 :各子濾波器將步驟3的時間更新結果作為本地導航估計輸出，返回步驟1，開始執行下一個計算周期。
2.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于 步驟I中所述的各子濾波器初始化，其實現方法為 各子濾波器初始化是指確定各子濾波器在當前計算時刻tk的本地系統狀態估計初值Ii+及相應的誤差協方差矩陣初值Pnjt; 對于整體算法的起始時刻，即h時刻，各子濾波器系統狀態估計初值X包括相應本地航天器在慣性參照坐標系中的位置矢量估計初值4和速度矢量估計初值;A + I^Y=； LVjfJo(I) 設h時刻本地航天器的系統狀態真實值為Xtl,則相應的誤差協方差矩陣初值^按照下式計算 &,=￡{[之+-叉0][右-10 ]Γ}」l」I(2) 若缺乏系統狀態真實值Xtl的必要信息，根據工程經驗確定對于tk(k=l，2，…)時亥IJ，文丨和等于上一步計算時刻的估計輸出。
3.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于 步驟2中所述的各子濾波器進行本地狀態采樣，其實現方法為各子濾波器依據tk時刻本地狀態估計初值文:及相應的誤差協方差矩陣初值Pm，并行地使用下面的對稱采樣算法計算相應的本地狀態采樣:
4.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于 步驟3中所述的各子濾波器進行時間更新，其實現方法為 首先定義子濾波器狀態動力學模型fx ( ·)，與公式(I)對應，導航系統狀態矢量X包含航天器在相應中心天體慣性系下的位置矢量r以及速度矢量V，導航系統狀態動力學模型
5.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于 步驟4中所述的各航天器之間建立星間通信鏈路并保持跟蹤，其實現方法為 星間通信鏈路的建立和保持跟蹤，通過星載空間通信及其鏈路捕獲、跟蹤、瞄準系統來完成；首先利用各航天器星載通信發射端機產生星間通信信號，通過天線向滿足可視條件的其它航天器發射；后者使用天線和接收端機對星間通信信號進行捕獲和確認，然后返回信標到發射端，從而完成初步的鏈路鎖定，建立通信鏈路；接下來發射端航天器根據目標航天器的估計方位，驅動天線ATP伺服機構完成粗跟蹤指向，然后提取通信信號的測角信息，導入信號發射方向微調反饋控制回路，保持通信鏈路穩定精確指向。
6.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于 步驟5中所述的已建立星間鏈路的航天器進行星間跟蹤觀測，其實現方法為 首先定義航天器星間跟蹤觀測量包括航天器間的相對距離，相對速度和導航計算坐標系中的相對方位；以航天器A對航天器B的測量為例，假設其在慣性參考坐標系，記為i系中的位置矢量分別為4和4，速度矢量分別為弋和4，相對視線矢量即相對位置矢量為,d相對速度矢量為相對距離為Pab，相對速度為Au，相對方位單位矢量力《U; 采用偽距式載波相位進行星間相對距離測量，利用無線電信號在空間定速傳播的特性，測量其發射時刻與接收時刻的時間差來確定相對距離P B = C Δ ΑΒ (8) 式中，C為電磁波傳播速度，即光速；Λ tAB是測量信號的傳播時間，由測距設備測定； 利用多普勒頻移可測定相對速度，測量關系為
7.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于 步驟6中所述的經星間鏈路共享各子濾波器的狀態采樣信息，其實現方法為 經由星間鏈路，在各個測量相關的航天器間共享相應各子濾波器在步驟2中產生的狀態采樣信息；對于每個子濾波器，在將本地狀態采樣ip上傳至星間鏈路的同時，獲得來自所有與其存在星間測量的子濾波器的外部狀態采樣信息^^>。
8.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于 步驟7中所述的各子濾波器進行本地相關量測采樣，其實現方法為 首先定義觀測模型，對于某個航天器對應的子濾波器，定義本地相關觀測模型匕(·)包括該航天器和所有與其存在星間測量鏈路的航天器間的相對距離觀測模型、相對速度觀測模型和相對方位觀測模型； 根據步驟5中的變量定義，以航天器A和航天器B為例，每一個星間觀測量都至少同時與兩個航天器的狀態相關，相對距離觀測模型為
9.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于 步驟8中所述的各子濾波器進行量測更新，其實現方法為 各子濾波器首先并行地計算相應的本地狀態量測協方差矩陣
10.根據權利要求I所述的一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，其特征在于步驟9中所述的各子濾波器進行性能監控，判斷濾波器運行是否正常，其實現方法為 針對成員航天器可能出現測量或計算失效而造成算法故障的情況，承襲各成員航天器單獨估計自身狀態的獨立估計方式，每個子濾波器獨立檢測自身故障；故障檢測算法采用基于新息的經驗卡方分布分析法，方法步驟如下 首先通過下面的表達式計算tk+1時刻的新息ε k+1
全文摘要
一種應用星間跟蹤的航天器星座分散化自主導航方法，它有如下步驟一、各子濾波器初始化；二、各子濾波器進行本地狀態采樣；三、各子濾波器進行時間更新；四、各航天器之間建立星間通信鏈路并保持跟蹤；五、已建立星間鏈路的航天器進行星間跟蹤觀測；六、經星間鏈路共享各子濾波器的狀態采樣信息；七、各子濾波器進行本地相關量測采樣；八、各子濾波器進行量測更新；九、各子濾波器進行性能監控，判斷其運行是否正常；十、各子濾波器將步驟八的量測更新結果作為本地導航估計輸出，返回步驟一，開始執行下一個計算周期；十一、各子濾波器將步驟三的時間更新結果作為本地導航估計輸出，返回步驟一，開始執行下一個計算周期。
文檔編號G01C21/24GK102679985SQ20121014629
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者徐世杰, 石恒, 陳統 申請人:北京航空航天大學