【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航天导航，具体涉及一种基于脉冲星和深空网组合的航天器导航方法，可用于复杂环境下航天器的导航定位。
技术介绍
1、随着航天技术的快速发展，深空探测任务的需求日益增加。为了确保航天器在深空环境下、远离地球、通信受限或观测条件复杂的情况下仍能实现准确定位和安全运行，高精度的导航技术成为深空任务中不可或缺的核心支撑。
2、脉冲星导航(pulsar-based navigation)是一种基于宇宙中周期性强、稳定的脉冲星信号的自主导航技术。脉冲星发出的脉冲信号可以视为“宇宙信标”，其时间周期极为稳定，已知位置的多颗脉冲星可以为航天器提供绝对位置参考。当航天器接收到多颗脉冲星信号后，通过测量信号的到达相位或到达时间，可以确定航天器在宇宙中的绝对位置。这种导航方式具有高度的自主性，能够在深空环境中提供绝对位置信息。然而，脉冲星导航也面临一定的局限性。例如，脉冲星信号的分布不均匀，在某些位置无法获得足够的可观测脉冲星，部分脉冲星的信号微弱，且在高噪声环境下信号容易受到干扰，导致航天器在特定位置或时刻可能无法获取足够的观测数据。此外，脉冲星信号的周期性特征导致数据更新频率较低，难以满足高动态任务对实时性和高频次更新的需求。
3、深空网(deep space network,dsn)是指由分布在全球的多个地面站组成的深空通信和测控网络，用于支持深空探测任务的通信、导航和科学数据传输。深空网利用高灵敏度的大口径天线接收航天器发出的无线电信号，可通过无线电测定方法包括到达时间差(time difference of
技术实现思路
1、本专利技术目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于脉冲星和深空网组合的航天器导航方法，解决现有技术数据有限、处理时间长、测控站资源有限以及脉冲星导航信号较弱、精度低等问题。通过脉冲星导航为航天器提供绝对定位，使其在深空网地面站覆盖不足或通信受限时仍能自主导航；而当脉冲星信号受干扰或数据不足时，则利用深空网的时间差和多普勒频移数据提供精确的定位支持。本专利技术在复杂环境下确保了导航的连续性和高精度，同时增强系统的自主性和鲁棒性，能够使航天器在深空探测任务中获得更稳定的导航支持。
2、本专利技术实现上述目的具体步骤如下：
3、(1)基于轨道动力学方程，在地心赤道坐标系下对无控运动下的绕地卫星建立导航系统状态方程；
4、(2)选取多颗脉冲星作为导航星，用于提供脉冲星量测信息；利用序贯观测法进行观测，将脉冲到达太阳系质心ssb处相位作为脉冲星导航的量测量；根据脉冲星光子到达航天器处时间与脉冲星到达ssb处相位的关系，利用脉冲星计时模型、时间转换方程，建立脉冲星导航系统的量测方程；
5、(3)航天器向地面站发射信号，将信号到达两个不同地面站的时间差与其多普勒频移作为深空网系统的量测量，建立深空网系统的量测方程；
6、(4)将脉冲星导航系统的量测方程与深空网系统的量测方程相结合，构建脉冲星和深空网组合导航系统模型；即在航天器运动过程中对n颗脉冲星进行序贯观测，n为大于等于1的整数；当其中一颗导航脉冲星可见时，优先采用该脉冲星导航量测量；当n颗导航脉冲星均不可见时，采用深空网系统的量测量，用于在此时弥补脉冲星导航无量测量的空缺时间段；当导航脉冲星不可见且深空网地面站又无法接收信号时，判定该时间段无量测量输入，采用数值积分方法对轨道动力学方程进行递推；
7、(5)对步骤1中航天器导航系统的状态方程状态进行线性化，构建状态转移矩阵的微分方程，利用数值积分方法获取状态转移矩阵；
8、(6)对步骤2中脉冲星导航系统的量测方程在当前时刻附近进行线性化，构建量测矩阵，用于描述状态量到量测量的转换关系；
9、(7)采用步骤1中航天器导航系统的状态方程状态与步骤(4)建立的脉冲星和深空网组合的航天器导航系统量测方程，得到脉冲星和深空网组合导航系统模型；
10、(8)根据脉冲星和深空网组合导航系统模型，利用扩展卡尔曼滤波ekf算法对航天器位置进行估计，即首先对ekf算法中的状态量与协方差矩阵进行初始化；然后判断脉冲星是否可见以及地面站是否能接受信号，确定采用脉冲星导航还是深空网系统进行测量，根据量测量确定更新的步长，并通过现有估计算法提取量测量；采用步骤1建立的航天器导航系统的状态方程，利用数值积分方法更新航天器状态，采用步骤5构建的状态转移矩阵更新协方差矩阵；再通过步骤6构建的量测矩阵与更新后的协方差矩阵计算卡尔曼增益，用于修正航天器状态与协方差矩阵；迭代ekf过程实现对航天器位置的估计，完成航天器导航任务。
11、本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
12、第一、本专利技术在接收到足够的脉冲星信号时，首先采用脉冲星导航，通过测量信号的到达相位或到达时间确定航天器在宇宙中的绝对位置，能够在深空环境中提供绝对位置基准信息，从而实现航天器在深空环境中的自主定位；
13、第二、本专利技术在脉冲星信号微弱、观测条件受限或精度不足时，利用深空网的时间差和多普勒频移观测数据进一步补充脉冲星导航在长时间导航中的精度需求，同时进行高频次的测量更新，以深空网提供绝对位置信息；从而能够保持导航的稳定性，有效提升系统可靠性；
14、第三、由于本专利技术采用以脉冲星为主、依托深空网非持续性观测数据的组合导航方式，将脉冲星导航与深空网观测进行有效结合，利用两者优势互补来提本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于脉冲星和深空网组合的航天器导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述基于轨道动力学方程，在地心赤道坐标系下对无控运动下的绕地卫星建立导航系统状态方程，即构建t时刻航天器相对地球质心的位置与速度表达式，具体如下：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述脉冲星导航系统的量测方程，具体如下：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述深空网系统的量测方程，具体按照如下方式得到：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述航天器相对于地面站m的径向速度vradial，具体通过航天器与地面站二者之间的速度投影得到。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(4)所述脉冲星和深空网组合的航天器导航系统量测方程，表示如下：
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(5)所述状态转移矩阵，根据如下方式获取：
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(6)所述量测矩阵，根据如下方式获取：
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