一種基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法
【專利摘要】一種基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，針對由多顆衛星構成的星座，在同軌道面相鄰衛星之間，通過星相機照相觀測的方式進行星間方向測量，通過星間鏈路進行星間距離測量，同時，在不同軌道面的星座衛星之間建立星間鏈路，進行星間距離測量；采用擴展卡爾曼濾波(EKF)算法，融合同軌道面星間相對位置測量信息，以及不同軌道面星間距離測量信息，結合軌道動力學方程，對參與導航衛星的位置矢量和速度矢量進行估計。本發明所述方法可用于實現具有較高精度需求的星座衛星自主導航任務，有助于降低衛星對地面測控的依賴程度，增強衛星系統在緊急情況下的自主生存能力。
【專利說明】—種基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，屬于衛星自主導航【技術領域】。
【背景技術】
[0002]傳統的衛星自主導航方法包括基于光學敏感器的天文導航方法和基于星間距離測量的方法等，其中，基于光學敏感器的天文導航受到地心方向提取精度的限制，難以滿足高軌衛星高精度自主導航的要求；基于地球衛星星間距離測量進行導航時存在“虧秩”問題，即僅距離測量情況下不能對星座的整體旋轉形成有效的幾何約束，造成星座衛星的絕對定位誤差隨時間增長而逐步積累。
[0003]基于星間照相觀測的星座導航是一種新興的自主導航技術，基本方法是在星座衛星上安裝具有星間方向測量功能的星相機，采用星相機照相觀測的方式獲取星座衛星之間的相對位置矢量在慣性空間中的指向信息。引入星間方向測量信息有助于解決衛星星座組成的空間多面體相對于地心慣性系定向的問題。考慮到基于星相機的星間方向測量具有較高精度，再結合通過星間鏈路獲取的星間距離測量信息，可以解決“虧秩”問題，實現基于相對位置測量的高精度絕對導航。
[0004]研究表明，采用基于“照相觀測+距離測量”的星座衛星自主導航方法，如果僅在同軌道面衛星之間進行照相觀測和距離測量，隨著自主運行時間的增長，導航誤差仍有緩慢增大的趨勢。針對這一問題，提出基于共面星間測向和異面星間測距的星座衛星自主導航方法。
【發明內容】
[0005]本發明的技術解決問題是:基于同一軌道面上不同衛星之間的相對測量信息進行星座衛星自主導航時，存在導航誤差隨時間增長緩慢增大的問題。針對上述問題，提出基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，即在同軌道面相鄰星座衛星之間進行相對位置測量的同時，在不同軌道面的星座衛星之間進行星間距離測量。采用這一測量方式，能夠克服現有技術的不足，實現星座衛星長時間高精度自主導航。
[0006]本發明的技術解決方案是:
[0007]一種基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，步驟如下:
[0008](I)選擇參與導航的星座衛星的位置矢量和速度矢量在地心慣性坐標系的分量作為狀態變量；
[0009](2)通過安裝在星座衛星上的星相機對同軌道面相鄰衛星進行照相觀測，通過圖像處理獲取同軌道面衛星的星間方向觀測量； [0010](3)通過同軌道面星座衛星之間，以及不同軌道面星座衛星之間的星間鏈路，通過無線電測距的方法獲取星座衛星之間的星間距離觀測量；
[0011](4)利用擴展卡爾曼濾波算法處理步驟(2)中得到的星座衛星的星間方向觀測量和步驟(3)中得到的星間距離觀測量，通過濾波解算獲得狀態變量的估計值，即參與導航的星座衛星的位置矢量和速度矢量的估計值，從而實現基于共面星間測向和異面星間測距的星座衛星自主導航。
[0012]所述步驟⑴中狀態變量為:
【權利要求】
1.一種基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，其特征在于步驟如下: (1)選擇參與導航的星座衛星的位置矢量和速度矢量，將該兩種矢量在地心慣性坐標系的分量作為狀態變量； (2)通過安裝在星座衛星上的星相機對同軌道面相鄰衛星進行照相觀測，通過圖像處理獲取同軌道面衛星的星間方向觀測量； (3)通過同軌道面星座衛星之間，以及不同軌道面星座衛星之間的星間鏈路，通過無線電測距的方法獲取星座衛星之間的星間距離觀測量； (4)利用擴展卡爾曼濾波算法處理步驟(2)中得到的星座衛星的星間方向觀測量和步驟(3)中得到的星間距離觀測量，通過濾波解算獲得狀態變量的估計值，即參與導航的星座衛星的位置矢量和速度矢量的估計值，從而實現基于共面星間測向和異面星間測距的星座衛星自主導航。
2.根據權利要求1所述的一種基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，其特征在于:所述步驟(1)中狀態變量為:
3.根據權利要求1所述的基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，其特征在于:所述步驟(2)中同軌道面衛星的星間方向觀測量為:
4.根據權利要求1所述的基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，其特征在于:所述步驟(3)中星座衛星之間的星間距離觀測量為:
Yd, k — hd (Xk) +Vdj k 其中，
5.根據權利要求1所述的基于共面星間測向和異面星間測距的星座導航方法，其特征在于:所述步驟(4)中通過擴展卡爾曼濾波算法處理星座衛星的星間方向觀測量和星間距離觀測量，獲得狀態變量的估計值具體為:
Xk\1-1 = + f(A—i)T 其中，
【文檔編號】G01C21/02GK103954281SQ201410175529
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】熊凱, 魏春嶺, 何英姿, 郭建新 申請人:北京控制工程研究所