基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法，包括以下步骤：(1)构建三天线组件的星载GNSS接收机，用于分别输出对应的原始观测数据；(2)处理三天线接收机输出的原始观测数据，进行数据筛选和时间同步；(3)使用处理后的原始观测数据，基于L1C/A、L2C双频民码单差观测值，采用ARKF算法以及基于新息向量的观测噪声等价协方差矩阵估计法进行实时相对定轨。本发明专利技术通过重构接收机天线组件，使可视卫星范围大大提高，在双星卫星编队系统中存在卫星侧摆的情况下，证实了中长基线的实时相对定轨的可行性并实现了短基线下的高精度实时相对定轨，有效的解决了传统单天线接收机在卫星侧摆状态下无法进行实时相对定轨的问题。时相对定轨的问题。时相对定轨的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法


[0001]本专利技术涉及卫星导航领域，尤其是涉及一种基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法。

技术介绍

[0002]卫星在执行特殊任务时比如：交会对接、编队飞行以及大地测量等，需要较为准确的得到星间距离，目前较为常见的测量星间距离的方法有：GNSS测量、星间RF测量、卫星激光测距(SLR)。其中星间RF测量测距范围较短，且仅能实现一维测距，卫星激光测距则价格较高，且灵活性较差，不适用于微纳卫星平台，故GNSS测量就以其精度高，灵活性强等优点广泛应用于星间基线测量。
[0003]卫星在太空中还会有一些特殊的姿态要求，其中最常见的就是卫星侧摆，通常见于光学成像，由于低轨卫星轨道高度较低，直接对地观测会导致成像幅宽较小，于是会调整卫星姿态，采用侧摆技术来提高对地观测效率。此时就会对星间GNSS测量产生负面影响，最直接的影响就是减少了共视星的数目，从而降低了相对定位的精度，在中长基线下甚至还会导致无法定位。
[0004]目前对于共视星数目减少的情况，主要是从软件层面解决问题，其中较为典型的方法为模糊度空间的传递，避免了模糊度重新搜索的过程，可节省一定的时间。
[0005]如公开号为CN107490800A的中国专利文献公开了一种卫星导航快速定位方法、装置和卫星导航接收机。方法包括：判断观测方程是否病态；当观测方程病态时，利用自适应加权的差分进化算法结合正则化求解快速定位时的病态观测方程，得到病态观测方程中待求向量的实数解模糊度分量；将观测方程中待求向量的实数解模糊度分量作为输入值，搜索得到观测方程中待求向量的模糊度整数解；将模糊度整数解回代到观测方程中，重新求解得到更新模糊度后的基线参数，基线参数与准确的基准站卫星导航接收机坐标相加，得到目标卫星导航接收机的准确坐标。该方法更容易得到全局最优解，提高解算精度和速度。
[0006]但是这种方法仅适用于短时间内的共视星减少，且观测量中需含有载波相位测量值的情况。对于需要较长时间处于侧摆模式的卫星并不适用。
[0007]如果能从硬件的角度出发来设计接收机的天线组件，使星间GNSS相对定轨的稳定性提升，能在双星编队中应用于一定角度的卫星侧摆，不仅降低了软件设计的难度，并且还可以使卫星在正常工作模式下获得更高的定位精度，提升定位的稳定性。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法，通过重构接收机天线组件，使可视卫星范围大大提高，在双星卫星编队系统中存在卫星侧摆的情况下，证实了中长基线的实时相对定轨的可行性并实现了短基线下的高精度实时相对定轨，有效的解决了传统单天线接收机在卫星侧摆状态下无法进行实时相对定轨的问题。
[0009]一种基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法，包括以下步骤：
[0010](1)构建三天线组件的星载GNSS接收机，用于分别输出对应的原始观测数据；
[0011](2)处理三天线接收机输出的原始观测数据，进行数据筛选和时间同步；
[0012](3)使用处理后的原始观测数据，基于L1C/A、L2C双频民码单差观测值，采用ARKF算法以及基于新息向量的观测噪声等价协方差矩阵估计法进行实时相对定轨。
[0013]步骤(1)中，所述三天线组件的星载GNSS接收机具体结构为：三副天线分别安装于接收机的等三角锥底座的三个侧面上，且三角锥的侧面与底面的夹角互呈60
°
，每个天线组件接收导航信号覆盖
±
120
°
空域范围。
[0014]通过这种设计，天线组件能够在
±
120
°
空域范围、即在低轨卫星轨道的全视角范围内保证较高的天线增益，从而保证有效接收全视角范围内的导航卫星信号；同时，即使卫星执行较大幅度的机动时，卫星定轨或者卫星编队相对定轨仍能收到足够多的导航星数从而保证性能。作为对比，单天线场景是常规地将一副天线安装于卫星对天面，GNSS接收机仅能在相对较小的视角范围内收到导航信号；同时，当卫星执行机动时，有可能导致卫星定轨或者卫星编队相对定轨的性能大幅下降甚至定轨失败。
[0015]步骤(2)中，进行数据筛选和时间同步的具体过程为：
[0016](2
‑
1)将原始观测数据进行数据帧的解析，提取每组数据中的首个有效观测时间；共包括六组数据，分别对应两个场景、三根天线下的数据；
[0017](2
‑
2)对比每组数据的首个有效观测时间是否相等，若是，则转到步骤(2
‑
5)，否则顺序执行；
[0018](2
‑
3)按照不同场景分类，将六组数据按照不同的参考轨道分为两大组，对比其中一大组中每组原始观测数据的首个有效观测时间是否相等，若是，则对比另外一大组中的数据，否则顺序执行；
[0019](2
‑
4)将每组数据中的所对应的首个有效观测时间最小的数据，进行下一历元数据的解析，其余数据保持不变，转到(2
‑
2)；
[0020](2
‑
5)将原始观测数据按照不同的参考轨道分别进行观测数据以及导航电文的合并。
[0021]步骤(3)中，采用ARKF算法以及基于新息向量的观测噪声等价协方差矩阵估计法进行实时相对定轨的具体过程为：
[0022](3
‑
1)ARKF初始化：使用基于伪距的最小二乘算法初始化低轨卫星间的相对位置、速度；根据伪距、载波相位值初始化模糊度的初始值；根据经验以及模拟器设置初始化动力学参数、接收机钟差以及误差状态协方差；
[0023](3
‑
2)ARKF时间更新：根据轨道动力学预测下一时刻的低轨卫星的相对位置、速度，并更新误差协方差矩阵；
[0024](3
‑
3)计算导航卫星位置：根据星历解算导航星的位置以及导航星钟差；
[0025](3
‑
4)观测数据预处理：对观测数据进行周跳探测和粗差探测，并对异常数据进行剔除；
[0026](3
‑
5)差分组合：基于步骤(3
‑
4)处理过的数据对同一颗导航星的观测值做单差处理，并使用伪距、载波相位消电离层组合消除电离层延迟；
[0027](3
‑
6)自适应因子求解：由步骤(3
‑
3)、(3
‑
5)得到的导航星位置以及组合观测值分别得到理论预测残差和实际预测残差，比较理论预测残差以及实际预测残差，确定动力学模型误差大小，进而确定自适应因子取值；
[0028](3
‑
7)等价观测噪声协方差估计：基于新息向量使用IGG
‑
III方案对噪声协方差进行调整，降低残差较大的观测值对状态向量的影响；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建三天线组件的星载GNSS接收机，用于分别输出对应的原始观测数据；(2)处理三天线接收机输出的原始观测数据，进行数据筛选和时间同步；(3)使用处理后的原始观测数据，基于L1C/A、L2C双频民码单差观测值，采用ARKF算法以及基于新息向量的观测噪声等价协方差矩阵估计法进行实时相对定轨。2.根据权利要求1所述的基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法，其特征在于，步骤(1)中，所述三天线组件的星载GNSS接收机具体结构为：三副天线分别安装于接收机的等三角锥底座的三个侧面上，且三角锥的侧面与底面的夹角互呈60
°
，每个天线组件接收导航信号覆盖
±
120
°
空域范围。3.根据权利要求1所述的基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法，其特征在于，步骤(2)中，进行数据筛选和时间同步的具体过程为：(2
‑
1)将原始观测数据进行数据帧的解析，提取每组数据中的首个有效观测时间；共包括六组数据，分别对应两个场景、三根天线下的数据；(2
‑
2)对比每组数据的首个有效观测时间是否相等，若是，则转到步骤(2
‑
5)，否则顺序执行；(2
‑
3)按照不同场景分类，将六组数据按照不同的参考轨道分为两大组，对比其中一大组中每组原始观测数据的首个有效观测时间是否相等，若是，则对比另外一大组中的数据，否则顺序执行；(2
‑
4)将每组数据中的所对应的首个有效观测时间最小的数据，进行下一历元数据的解析，其余数据保持不变，转到(2
‑
2)；(2
‑
5)将原始观测数据按照不同的参考轨道分别进行观测数据以及导航电文的合并。4.根据权利要求3所述的基于全视角星载GNSS接收系统的低轨卫星实时相对定轨方法，其特征在于，步骤(3)中，采用ARKF算法以及基于新息向量的观测噪声等价协方差矩阵估计法进行实时相对定轨的具体过程为：(3
‑
1)ARKF初始化：使用基于伪距的最小二乘算法初始化低轨卫星间的相对位置、速度；根据伪距、载波相位值初始化模糊度的初始值；根据经验以及模拟器设置初始化动力学参数、接收机钟差以及误差状态协方差；(3
‑
2)ARKF时间更新：根据轨道动力学预测下一时刻的低轨卫星的相对位置、速度，并更新误差协方差矩阵；(3
‑
3)计算导航卫星位置：根据星历解算导航星的位置以及导航星钟差；(3
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4)观测数据预处理：对观测数据进行周跳探测和粗差探测，并对异常数据进行剔除；(3
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5)差分组合：基于步骤(3
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【专利技术属性】
技术研发人员：金小军，王昊泽，侯聪，周立山，徐兆斌，金仲和，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：