專利名稱：一種靜止軌道衛星自主導航方法
技術領域：
本發明涉及一種靜止軌道衛星自主導航方法，屬于衛星自主導航研究領域，可以應用于靜止軌道衛星自主導航任務。
背景技術：
傳統衛星在壽命周期內完全依賴地面測控系統的支持，與之相比，中星2A衛星是我國第一顆具有自主生存能力的地球靜止軌道通信衛星，其所采用的自主導航方法為該技術首次工程應用，所用的方法屬于天文導航方法，這一大類方法從算法角度已經較為成熟，并也產生了多種新型敏感器，如空間六分儀等，如中星2A上用到的基于地球敏感器和星敏感器的導航濾波算法是比較適合目前發展趨勢的方法，首先是方法較為簡單(已經獲得我國專利保護)，其次是方法所用到的部件屬于星上常用姿態確定部件，能夠長期在軌不間斷 工作，即導航方案不對星上資源產生新的需求；在原有導航濾波方法的基礎上，中星2A針對靜止軌道衛星的運行要求，尤其是軌道控制要求，創造性將星上軌道解析外推算法和導航濾波后的處理結果有機結合起來，既使得衛星自主獲取了實時位置，同時也獲得了適合于軌道控制的軌道信息。
發明內容
本發明的目的是為了提出一種靜止軌道衛星自主導航方法，該方法能夠給出靜止軌道衛星實時的軌道信息。本發明的目的是通過以下技術方案實現的。本發明的一種靜止軌道衛星自主導航方法，該方法的步驟為I)基于星敏感器和地球敏感器的kalman濾波算法，實時得到衛星相對于定點的位置偏差值；2)對步驟I)得到的位置偏差值用最小二乘方法進行數據處理，獲得一天內的軌道平面內的平均軌道根數即半長軸、偏心率、近地點幅角和真近點角；對步驟I)得到的位置偏差值用平均濾波方法獲得一天內的軌道平面外的平均軌道根數即軌道傾角和升交點赤經；3)以步驟2)得到的平均軌道根數作為星上軌道解析外推算法的輸入值，外推計算一天內衛星軌道位置，提供連續導航定位信息，實現衛星自主導航功能。有益效果本發明的方法已經在中星2A上成功應用，經過在軌標定后自主軌道確定精度優于10km，該方法可以推廣應用于所有要求具備自主功能的地球靜止軌道衛星。
圖I為衛星自主導航測量原理示意圖；圖2為軌道平面參數確定示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。實施例I)衛星自主導航所需的星上測量部件為星敏感器和地球敏感器，基于星敏感器和地球敏感器的kalman濾波算法以此標稱軌道定點位置建立Hill方程，即衛星相對標稱軌道定點位置的相對運動方程，作為kalman濾波算法的狀態方程，方程形式如下
權利要求
1.一種靜止軌道衛星自主導航方法，其特征在于該方法的步驟為 1)基于星敏感器和地球敏感器的kalman濾波算法，實時得到衛星相對于定點的位置偏差值； 2)對步驟I)得到的位置偏差值用最小二乘方法進行數據處理，獲得一天內的軌道平面內的平均軌道根數即半長軸、偏心率、近地點幅角和真近點角；對步驟I)得到的位置偏差值用平均濾波方法獲得一天內的軌道平面外的平均軌道根數即軌道傾角和升交點赤經； 3)以步驟2)得到的平均軌道根數作為星上軌道解析外推算法的輸入值，外推計算一天內衛星軌道位置，提供連續導航定位信息，實現衛星自主導航功能。
2.根據權利要求I所述的一種靜止軌道衛星自主導航方法，其特征在于步驟I)的具體步驟為 以此標稱軌道定點位置建立Hill方程，即衛星相對標稱軌道定點位置的相對運動方程，作為kalman濾波算法的狀態方程，方程形式如下 - 2ω0γ =— Y β+ω1β-— rγ + 2ω0 - 3ω^χ -—r 其中 α為經度偏差，單位為rad ； β為緯度偏差，單位為rad ； Y為徑向偏差，單位為rad ； f為靜止軌道衛星理論半徑，單位為km ； O為標稱靜止軌道角速度，單位為rad/s ； ax、ay、az是外界加速度在標稱軌道定點位置為原點的坐標系的分量； 標稱軌道定點位置定義為不考慮衛星漂移且軌道傾角為零的情況下的理論定點位置，與地球自轉完全同步； 衛星自主導航測量要用到地球、衛星和標稱軌道定點位置；其中，尾表示星敏感器給出的第一個方向矢量，無表不星敏感器給出的第二個方向矢量，孟代表地球敏感器給出的地心方向矢量; 方向矢量矣、艮在衛星本體系下的坐標位置由星敏的安裝矩陣決定；根據星敏感器的測量原理，其測量輸出為方向矢量S1、艮在慣性坐標系中的方位坐標，分別記為(矣);和(及2)/，具體表達為(Si)/ = ^Uy 1^hz] = [^2 ^hy ^hz ]； 紅外地球敏感器的測量輸出為滾動角(^和俯仰角eh;根據測量得到的滾動角和俯仰角，經過兩次旋轉變換即可得到在本體坐標系下衛星軌道坐標系原點到地心的位置矢量，記為
3.根據權利要求I所述的一種靜止軌道衛星自主導航方法，其特征在于步驟2)的具體步驟為對步驟I)得到的位置偏差值用最小二乘方法進行數據處理，獲得一天內的軌道平面內的平均軌道根數即半長軸、偏心率、近地點幅角和真近點角；對步驟I)得到的位置偏差值用平均濾波方法獲得一天內的軌道平面外的平均軌道根數即軌道傾角和升交點赤經； 根據步驟I)中kalman濾波后獲得的真實衛星相對于標稱軌道定點位置的相對位置偏差值，為了獲得便于軌道控制的控制變量以及提高導航精度，取濾波結果中的東西偏差α和南北偏差β，基于靜止軌道衛星的受攝漂移原理，通過最小二乘法和平均濾波方法獲得衛星的平均軌道六根數，包括半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角和真近點角，其中平均的意義為利用一天的α和β數據擬合獲得； 根據α和β，可以轉換成衛星的赤經和赤緯，即赤經為ατ+α ，赤緯為δτ_β，可以獲得當前k時刻的地心單位矢量 ，其表達式為
4.根據權利要求I所述的一種靜止軌道衛星自主導航方法，其特征在于步驟3)的具體步驟為以步驟2)得到的六個平均軌道根數作為星上軌道解析外推算法的輸入值，外推計算一天內衛星軌道位置，提供連續導航定位信息，實現衛星自主導航功能； 由于地球同步軌道衛星偏心率e和軌道傾角i量級都比較小，故在進行解析外推計算時需采用適用于O≤e<l和0≤i< 180°的第二類六個無奇點根數 ο = [a，h，k，ξ，Π，入]其表達是為a 為半長軸，
全文摘要
本發明涉及一種靜止軌道衛星自主導航方法，屬于衛星自主導航研究領域。基于星敏感器和地球敏感器的kalman濾波算法，實時得到衛星相對于定點的位置偏差值；對位置偏差值用最小二乘方法進行數據處理，獲得一天內的軌道平面內的平均軌道根數，再用平均濾波方法獲得一天內的軌道平面外的平均軌道根數；以平均軌道根數作為星上軌道解析外推算法的輸入值，外推計算一天內衛星軌道位置，提供連續導航定位信息，實現衛星自主導航功能。本發明的方法已經在中星2A上成功應用，經過在軌標定后自主軌道確定精度優于10km，該方法可以推廣應用于所有要求具備自主功能的地球靜止軌道衛星。
文檔編號G01C21/02GK102878995SQ20121041399
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者郭建新, 常建松, 劉新彥, 王穎, 王玉峰, 謝軍 申請人:北京控制工程研究所