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    重庆时时彩网上追号: 一种基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201410175529.7

    申请日:

    2014.04.28

    公开号:

    CN103954281A

    公开日:

    2014.07.30

    当前法律状态:

    驳回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):G01C 21/02申请公布日:20140730|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 21/02申请日:20140428|||公开
    IPC分类号: G01C21/02 主分类号: G01C21/02
    申请人: 北京控制工程研究所
    发明人: 熊凯; 魏春岭; 何英姿; 郭建新
    地址: 100080 北京市海淀区北京2729信箱
    优先权:
    专利代理机构: 中国航天科技专利中心 11009 代理人: 安丽
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410175529.7

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.12.26|||2014.08.27|||2014.07.30

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的驳回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,针对由多颗卫星构成的星座,在同轨道面相邻卫星之间,通过星相机照相观测的方式进行星间方向测量,通过星间链路进行星间距离测量,同时,在不同轨道面的星座卫星之间建立星间链路,进行星间距离测量;采用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法,融合同轨道面星间相对位置测量信息,以及不同轨道面星间距离测量信息,结合轨道动力学方程,对参与导航卫星的位置矢量和速度矢量进行估计。本发明所述方法可用于实现具有较高精度需求的星座卫星自主导航任务,有助于降低卫星对地面测控的依赖程度,增强卫星系统在紧急情况下的自主生存能力。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,其特征在于步骤如下:
    (1)选择参与导航的星座卫星的位置矢量和速度矢量,将该两种矢量在地心惯性坐标系的分量作为状态变量;
    (2)通过安装在星座卫星上的星相机对同轨道面相邻卫星进行照相观测,通过图像处理获取同轨道面卫星的星间方向观测量;
    (3)通过同轨道面星座卫星之间,以及不同轨道面星座卫星之间的星间链路,通过无线电测距的方法获取星座卫星之间的星间距离观测量;
    (4)利用扩展卡尔曼滤波算法处理步骤(2)中得到的星座卫星的星间方向观测量和步骤(3)中得到的星间距离观测量,通过滤波解算获得状态变量的估计值,即参与导航的星座卫星的位置矢量和速度矢量的估计值,从而实现基于共面星间测向和异面星间测距的星座卫星自主导航。

    2.  根据权利要求1所述的一种基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,其特征在于:所述步骤(1)中状态变量为:
    xk=(xk(1))T(xk(2))T(xk(3))T(xk(4))TT]]>
    其中,
    xk(i)=rk(i)vk(i),]]>i=1,2,3,4
    rk(i)=rx,k(i)ry,k(i)rz,k(i),vk(i)=vx,k(i)vy,k(i)vz,k(i)]]>
    和分别表示星座中卫星的位置矢量和速度矢量,上标i=1,2,3,4用于区分不同的卫星,下标k表示离散的时间。

    3.  根据权利要求1所述的基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,其特征在于:所述步骤(2)中同轨道面卫星的星间方向观测量为:
    yb,k=hb(xk)+vb,k
    其中,
    hb(xk)=rk(2)-rk(1)||rk(2)-rk(1)||rk(4)-rk(3)||rk(4)-rk(3)||]]>
    yb,k表示星间方向观测量,表示第二卫星相对于第一卫星的星间方向矢量,表示第四卫星相对于第三卫星的星间方向矢量,符号||·||表示求矢量的范数,第一卫星和第二卫星为星座中同轨道面卫星,第三卫星和第四卫星为星座中另一个轨道面上的同轨道面卫星,vb,k表示星间方向测量噪声。

    4.  根据权利要求1所述的基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,其特征在于:所述步骤(3)中星座卫星之间的星间距离观测量为:
    yd,k=hd(xk)+vd,k
    其中,
    hd(xk)=||rk(2)-rk(1)||||rk(3)-rk(2)||||rk(4)-rk(3)||]]>
    yd,k表示星间距离观测量,表示第二卫星和第一卫星的星间距离,表示第三卫星和第二卫星的星间距离,表示第四卫星和第三卫星的星间距离,第二卫星和第三卫星为星座中不同轨道面卫星,vd,k表示星间距离测量噪声。

    5.  根据权利要求1所述的基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,其特征在于:所述步骤(4)中通过扩展卡尔曼滤波算法处理星座卫星的星间方向观测量和星间距离观测量,获得状态变量的估计值具体为:
    x^k|k-1=x^k-1+f(x^k-1)T]]>
    x^k=x^k|k-1+Kk[yk-h(x^k|k-1)]]]>
    其中,
    yk=yb,kyd,k]]>
    h(x^k|k-1)=hb(x^k|k-1)hd(x^k|k-1)]]>
    和分别为k时刻状态变量的估计值和预测值,为k-1时刻状态变量的估计值,T为滤波周期,为状态转移函数,Kk为滤波增益阵。

    说明书

    说明书一种基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法
    技术领域
    本发明涉及一种基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,属于卫星自主导航技术领域。
    背景技术
    传统的卫星自主导航方法包括基于光学敏感器的天文导航方法和基于星间距离测量的方法等,其中,基于光学敏感器的天文导航受到地心方向提取精度的限制,难以满足高轨卫星高精度自主导航的要求;基于地球卫星星间距离测量进行导航时存在“亏秩”问题,即仅距离测量情况下不能对星座的整体旋转形成有效的几何约束,造成星座卫星的绝对定位误差随时间增长而逐步积累。
    基于星间照相观测的星座导航是一种新兴的自主导航技术,基本方法是在星座卫星上安装具有星间方向测量功能的星相机,采用星相机照相观测的方式获取星座卫星之间的相对位置矢量在惯性空间中的指向信息。引入星间方向测量信息有助于解决卫星星座组成的空间多面体相对于地心惯性系定向的问题??悸堑交谛窍嗷男羌浞较虿饬烤哂薪细呔?,再结合通过星间链路获取的星间距离测量信息,可以解决“亏秩”问题,实现基于相对位置测量的高精度绝对导航。
    研究表明,采用基于“照相观测+距离测量”的星座卫星自主导航方法,如果仅在同轨道面卫星之间进行照相观测和距离测量,随着自主运行时间的增长,导航误差仍有缓慢增大的趋势。针对这一问题,提出基于共面星间测向和异面星间测距的星座卫星自主导航方法。
    发明内容
    本发明的技术解决问题是:基于同一轨道面上不同卫星之间的相对测量信息进行星座卫星自主导航时,存在导航误差随时间增长缓慢增大的问题。针对 上述问题,提出基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,即在同轨道面相邻星座卫星之间进行相对位置测量的同时,在不同轨道面的星座卫星之间进行星间距离测量。采用这一测量方式,能够克服现有技术的不足,实现星座卫星长时间高精度自主导航。
    本发明的技术解决方案是:
    一种基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,步骤如下:
    (1)选择参与导航的星座卫星的位置矢量和速度矢量在地心惯性坐标系的分量作为状态变量;
    (2)通过安装在星座卫星上的星相机对同轨道面相邻卫星进行照相观测,通过图像处理获取同轨道面卫星的星间方向观测量;
    (3)通过同轨道面星座卫星之间,以及不同轨道面星座卫星之间的星间链路,通过无线电测距的方法获取星座卫星之间的星间距离观测量;
    (4)利用扩展卡尔曼滤波算法处理步骤(2)中得到的星座卫星的星间方向观测量和步骤(3)中得到的星间距离观测量,通过滤波解算获得状态变量的估计值,即参与导航的星座卫星的位置矢量和速度矢量的估计值,从而实现基于共面星间测向和异面星间测距的星座卫星自主导航。
    所述步骤(1)中状态变量为:
    xk=(xk(1))T(xk(2))T(xk(3))T(xk(4))TT]]>
    其中,
    xk(i)=rk(i)vk(i),]]>i=1,2,3,4
    rk(i)=rx,k(i)ry,k(i)rz,k(i),vk(i)=vx,k(i)vy,k(i)vz,k(i)]]>
    和分别表示星座中卫星的位置矢量和速度矢量,上标i=1,2,3,4用于区分不同的卫星,下标k表示离散的时间。
    所述步骤(2)中同轨道面卫星的星间方向观测量为:
    yb,k=hb(xk)+vb,k
    其中,
    hb(xk)=rk(2)-rk(1)||rk(2)-rk(1)||rk(4)-rk(3)||rk(4)-rk(3)||]]>
    yb,k表示星间方向观测量,表示第二卫星相对于第一卫星的星间方向矢量,表示第四卫星相对于第三卫星的星间方向矢量,符号||·||表示求矢量的范数,第一卫星和第二卫星为星座中同轨道面卫星,第三卫星和第四卫星为星座中另一个轨道面上的同轨道面卫星,vb,k表示星间方向测量噪声。
    所述步骤(3)中星座卫星之间的星间距离观测量为:
    yd,k=hd(xk)+vd,k
    其中,
    hd(xk)=||rk(2)-rk(1)||||rk(3)-rk(2)||||rk(4)-rk(3)||]]>
    yd,k表示星间距离观测量,表示第二卫星和第一卫星的星间距离,表示第三卫星和第二卫星的星间距离,表示第四卫星和第三卫星的星间距离,第二卫星和第三卫星为星座中不同轨道面卫星,vd,k表示星间距离测量噪声。
    所述步骤(4)中通过扩展卡尔曼滤波算法处理星座卫星的星间方向观测量和星间距离观测量,获得状态变量的估计值具体为:
    x^k|k-1=x^k-1+f(x^k-1)T]]>
    x^k=x^k|k-1+Kk[yk-h(x^k|k-1)]]]>
    其中,
    yk=yb,kyd,k]]>
    h(x^k|k-1)=hb(x^k|k-1)hd(x^k|k-1)]]>
    和分别为k时刻状态变量的估计值和预测值,为k-1时刻状态变量的估计值,T为滤波周期,为已知的状态转移函数,Kk为滤波增益阵。
    本发明与现有技术相比的有益效果是:
    基于星间链路的星间距离测量技术比较成熟,测距精度可达米级,而星相机的星间定向精度可达角秒级,采用本发明所述的自主导航方法可以取得较高的导航精度;并且,避免了异面卫星星间距离远、相对速度大,难以进行照相观测的问题。本发明所述方法充分利用了星间相对测量信息准确的优点,能够精确确定参与导航的星座卫星的绝对位置,所取得的导航精度优于仅在共面卫星之间进行照相观测和距离测量的情况,该方法可用于实现第二代卫星导航系统长时间高精度自主导航任务。
    附图说明
    图1为本发明流程图;
    图2为基于共面星间测向和测距的导航位置估计误差曲线;
    图3为基于共面星间测向和异面星间测距的导航位置估计误差曲线。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
    基于同一轨道面上不同卫星之间的相对测量信息进行星座卫星自主导航时,存在导航误差随时间增长缓慢增大的问题。为了解决上述问题,本发明提出,针对由多颗卫星构成的星座,在同轨道面相邻卫星之间,通过星相机照相观测的方式进行星间方向测量,通过星间链路进行星间距离测量,同时,在不同轨道面的星座卫星之间建立星间链路,进行星间距离测量;采用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法,融合同轨道面星间相对位置测量信息,以及不同轨道面星间距离测量信息,结合轨道动力学方程,对参与导航卫星的位置矢量和速度矢 量进行估计,实现星座卫星长时间高精度自主导航。
    本发明提出的一种基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法,如图1所示,步骤如下:
    (1)选择参与导航的星座卫星的位置矢量和速度矢量在地心惯性坐标系的分量作为状态变量;状态变量为:
    xk=(xk(1))T(xk(2))T(xk(3))T(xk(4))TT]]>
    其中,
    xk(i)=rk(i)vk(i),]]>i=1,2,3,4
    rk(i)=rx,k(i)ry,k(i)rz,k(i),vk(i)=vx,k(i)vy,k(i)vz,k(i)]]>
    和分别表示星座中卫星的位置矢量和速度矢量,上标i=1,2,3,4用于区分不同的卫星,下标k表示离散的时间,和分别为三个轴向的分量。
    (2)通过安装在星座卫星上的星相机对同轨道面相邻卫星进行照相观测,通过图像处理获取同轨道面卫星的星间方向观测量;同轨道面卫星的星间方向观测量为:
    yb,k=hb(xk)+vb,k
    其中,
    hb(xk)=rk(2)-rk(1)||rk(2)-rk(1)||rk(4)-rk(3)||rk(4)-rk(3)||]]>
    yb,k表示星间方向观测量,表示第二卫星相对于第一卫星的星间方向矢量,表示第四卫星相对于第三卫星的星间方向矢量,符号||·||表示求矢量的范数,第一卫星和第二卫星为星座中同轨道面卫星,第三卫星和第四卫星 为星座中另一个轨道面上的同轨道面卫星,vb,k表示星间方向测量噪声。
    (3)通过同轨道面星座卫星之间,以及不同轨道面星座卫星之间的星间链路,通过无线电测距的方法获取星座卫星之间的星间距离观测量;星座卫星之间的星间距离观测量为:
    yd,k=hd(xk)+vd,k
    其中,
    hd(xk)=||rk(2)-rk(1)||||rk(3)-rk(2)||||rk(4)-rk(3)||]]>
    yd,k表示星间距离观测量,表示第二卫星和第一卫星的星间距离,表示第三卫星和第二卫星的星间距离,表示第四卫星和第三卫星的星间距离,第二卫星和第三卫星为星座中不同轨道面卫星,vd,k表示星间距离测量噪声。
    (4)利用扩展卡尔曼滤波算法处理步骤(2)中得到的星座卫星的星间方向观测量和步骤(3)中得到的星间距离观测量,通过滤波解算获得状态变量的估计值,即参与导航的星座卫星的位置矢量和速度矢量的估计值,从而实现基于共面星间测向和异面星间测距的星座卫星自主导航。通过扩展卡尔曼滤波算法处理星座卫星的星间方向观测量和星间距离观测量,获得状态变量的估计值具体为:
    x^k|k-1=x^k-1+f(x^k-1)T]]>
    x^k=x^k|k-1+Kk[yk-h(x^k|k-1)]]]>
    其中,
    yk=yb,kyd,k]]>
    h(x^k|k-1)=hb(x^k|k-1)hd(x^k|k-1)]]>
    和分别为k时刻状态变量的估计值和预测值,为k-1时刻状态变量的 估计值,其分量形式为:
    x^k-1=(x^k-1(1))T(x^k-1(2))T(x^k-1(3))T(x^k-1(4))TT]]>
    其中,
    x^k-1(i)=r^k-1(i)v^k-1(i),]]>i=1,2,3,4
    r^k-1(i)=r^x,k-1(i)r^y,k-1(i)r^z,k-1(i),v^k-1(i)=v^x,k-1(i)v^y,k-1(i)v^z,k-1(i)]]>
    和分别表示星座中卫星的位置矢量和速度矢量的估计值,T为滤波周期,为已知的状态转移函数,Kk为滤波增益阵??悸堑厍虻姆乔蛐我ι愣?,状态转移函数如下所示:
    f(x^k-1)=φ(x^k-1(1))φ(x^k-1(2))φ(x^k-1(3))φ(x^k-1(4))]]>
    其中,
    φ(x^k-1(i))=v^x,k-1(i)v^y,k-1(i)v^z,k-1(i)-μr^x,k-1(i)|r^k-1(i)|3{1+32J2(Re/|r^k-1(i)|)2[1-5(r^z,k-1(i)/|r^k-1(i)|)2]}-μr^y,k-1(i)|r^k-1(i)|3{1+32J2(Re/|r^k-1(i)|)2[1-5(r^z,k-1(i)/|r^k-1(i)|)2]}-μr^z,k-1(i)|r^k-1(i)|3{1+32J2(Re/|r^k-1(i)|)2[3-5(r^z,k-1(i)|)2]}]]>
    |r^k-1(i)|=[(r^x,k-1(i))2+(r^y,k-1(i))2+(r^z,k-1(i))2]0.5]]>
    μ表示地球引力常数,Re表示地球半径,J2表示地球重力场带谐项系数,μ、Re和J2均为已知常数。滤波增益阵Kk的计算方法和扩展卡尔曼滤波算法的递推计算过程可参考西北工业大学出版社1998出版的由秦永元、张洪钺、汪叔华编写的《卡尔曼滤波与组合导航原理》一书。
    下面,在地球轨道上飞行的4颗卫星自主导航为例,通过仿真实例验证本发明所述方法的有效性。设星座中第一卫星和第二卫星在同一个轨道面上,轨道半长轴为27907km,轨道倾角为54°,升交点赤经为0°,第三卫星和第四卫星在另外一个轨道面上,轨道半长轴为27907km,轨道倾角为54°,升交点赤经为120°。设星间测向精度为0.3",星间测距精度为10m,卫星初始位置误差均为10km,初始速度误差为1m/s,仿真时间约为180天。
    仿真过程中,采用扩展卡尔曼滤波算法处理根据轨道数据模拟产生的测量数据,同时估计4颗卫星的位置矢量和速度矢量。采用基于共面卫星星间测距和测向的星座卫星自主导航方法,所得到的星座第一卫星的位置估计误差曲线如图2所示;采用基于共面星间测向和异面星间测距的星座卫星自主导航方法,所得到的星座第一卫星的位置估计误差曲线如图3所示。图中实线表示位置估计误差曲线,虚线表示50m的期望定位精度,从上到下三幅图分别对应卫星位置矢量的3个分量。纵坐标表示位置估计误差的大小,单位为m,横坐标表示时间,单位为天。根据图2和图3不难看出,采用基于共面卫星星间测距和测向的星座卫星自主导航方法,随着仿真时间的增长,导航误差有缓慢增大的趋势。采用本发明所述方法,在同轨道面相邻卫星之间进行相对测量的同时,在不同轨道面的星座卫星之间进行星间距离测量,能够有效抑制星座卫星位置误差,定位精度显著提高,且仿真180天无明显发散。通过统计计算可知,采用基于共面星间测向和异面星间测距的星座卫星自主导航方法,定位精度优于50m。因此,基于共面星间测向和异面星间测距的星座导航方法能够实现星座卫星高精度自主导航。本发明的主要技术内容可用于实现第二代卫星导航系统长期高精度自主导航任务,有助于降低卫星对地面测控的依赖程度,增强卫星系统在紧急情况下的自主生存能力。
    本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

    关 键 词:
    一种 基于 共面星间 测向 异面星间 测距 星座 导航 方法
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