一种卫星姿态轨道确定系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种卫星姿态轨道确定系统及方法，星上子系统包含的姿态轨道确定模块从来自姿态轨道采集模块的卫星导航信号中获得伪距、伪距率和载波相位数据，利用伪距、伪距率和载波相位数据，生成星间相对位置信息、星间相对速度信息及三维位置信息，对三维位置信息和卫星星光仰角进行联邦滤波算法，生成卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息，利用卫星导航信号、卫星姿态角信息及卫星星光仰角，进行联合定姿，生成三轴角度，并对三轴角度进行最优估计，获得卫星的三轴姿态角度和三轴姿态角速度；姿轨控计算机根据姿态轨道确定模块输出的信息进行变轨和调姿控制。采用本发明专利技术的系统及方法，能够提高定姿的精度和轨道确定的实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星姿态轨道确定系统及方法
本专利技术涉及飞行器设计领域，特别涉及一种卫星姿态轨道确定系统及方法。
技术介绍
图1为现有的卫星姿态轨道确定系统的结构示意图。现结合图1，对现有的卫星姿态轨道确定系统进行说明，具体如下：现有的卫星姿态轨道确定系统包括星上子系统10和地面子系统11。其中，星上子系统10用以获取进行确定卫星轨道和确定卫星姿态的数据，并根据确定卫星姿态的数据完成卫星的定姿，将确定卫星轨道的数据下行传输至地面子系统11；地面子系统11根据现有的飞行动力学模型及确定卫星轨道的数据，进行定轨运算。星上子系统10包含惯性器件101、姿轨控计算机(AOCC)102、GPS接收机103、USB应答机104和激光测距系统105；地面子系统11包含地面测距站111和第一计算机112。其中，惯性器件101根据现有的惯性导航的姿态确定方程，对其所在的卫星进行定姿；姿轨控计算机102采集惯性器件101的数据，根据建立的原始动力学方程及采集到的数据获得定轨数据，按照预设的周期发送定轨数据至USB应答机104；全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)接收机103将采集到的GPS位置数据按照预设的周期发送给USB应答机104；在星上子系统10所在的卫星经过地面子系统11的测控范围内时，USB应答机104通过无线射频通道，将定轨数据和GPS位置数据下传至地面子系统11的地面测距站111；激光测距系统105与地面测距站111建立通信链路，以便地面测距站111获得激光测距值；地面测距站111将定轨数据、GPS位置数据及激光测距值发送给第一计算机112；第一计算机112根据飞行动力学模型及接收到的数据进行定轨运算。其中，第一计算机112所进行的定轨计算是一个不断拟合迭代的数学计算过程，运算周期越长，得到的定轨结果的精度越高。综上所述，现有的卫星姿态轨道确定系统中，定轨结果需要依赖卫星与地面间的距离，并且定轨运算过程为地面子系统完成复杂的数学运算过程，为了提高定轨精度，需要耗费较长的运算周期；单利用惯性器件完成定姿的精度不高，还有待进一步提高；一旦地面子系统参与卫星轨道确定，无法保证定轨的实时性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种卫星姿态轨道确定系统，该系统能够提高定姿的精度，实现轨道确定的实时性。本专利技术的目的在于提供一种卫星姿态轨道确定方法，该方法能够提高定姿的精度，实现轨道确定的实时性。为达到上述目的，本专利技术的技术方案具体是这样实现的：一种卫星姿态轨道确定系统，该系统包含星上子系统，所述星上子系统包含：姿态轨道信号采集模块，采集多种导航卫星星座的卫星导航信号、卫星姿态角信号及卫星星光仰角，输出卫星导航信号、卫星姿态角信号及卫星星光仰角至姿态轨道确定模块；姿态轨道确定模块，从卫星导航信号中获得伪距、伪距率和载波相位数据，对伪距、伪距率和载波相位数据进行误差修正和差分运算，获得星间相对位置信息和星间相对速度信息，并输出至姿轨控计算机；所述姿态轨道确定模块利用最小二乘最优估计算法及时空统一算法，根据伪距、伪距率和载波相位数据进生成三维位置信息，利用飞行动力学模型和联邦滤波算法，对三维位置信息和卫星星光仰角进行联邦滤波算法，生成卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息，并输出至姿轨控计算机；所述姿态轨道确定模块利用卫星导航信号、卫星姿态角信息及卫星星光仰角，进行联合定姿，生成三轴角度，利用联邦滤波算法，对三轴角度进行最优估计，获得卫星的三轴姿态角度和卫星的三轴姿态角速度，并输出至姿轨控计算机；所述姿轨控计算机根据接收到的星间相对位置信息、星间相对速度信息、卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息，输出变轨指令至执行模块，根据卫星的三轴姿态角度和卫星的三轴姿态角速度，输出调姿指令至执行模块；执行模块，根据变轨指令调整系统所在卫星的轨道，根据调姿指令调整系统所在卫星的姿态。较佳地，所述星上子系统还包含：星间通信模块，用以建立与进行合作的卫星间的通信链路，发送星间相对位置信息和星间相对速度信息，接收另一卫星的位置信息和其速度信息并转发给姿态轨道确定模块；所述姿态轨道确定模块进一步根据另一卫星的位置信息和其速度信息，计算获得星间相对位置信息和星间相对速度信息，并输出至星间通信模块。较佳地，该系统还包含：地面子系统，利用通过无线通信链路接收到的卫星姿态信息和卫星轨道信息，生成卫星在轨飞行画面并输出；所述星上子系统的姿轨控计算机进一步根据变轨指令和调姿指令，生成卫星的姿态信息和卫星轨道信息并输出；所述星上子系统进一步包含：卫星平台总线，建立姿轨控计算机与遥测模块间的数据传输通道；遥测模块，通过平台总线，接收来自姿轨控计算机的卫星姿态信息和卫星轨道信息，并通过无线链路输出卫星姿态信号和卫星轨道信号。上述系统中，所述姿态轨道信号采集模块包含：多模卫星导航GNSS接收机，采集多种导航卫星星座的卫星导航信息，并输出至姿态轨道确定模块；惯性器件，采集卫星的卫星姿态角信号，并输出至姿态轨道确定模块；星敏感器，采集卫星的卫星星光仰角及四元数姿态角，并输出至姿态轨道确定模块；地球敏感器，采集卫星的卫星姿态角信息，并输出至姿态轨道确定模块；所述多种导航卫星星座至少包含北斗卫星和全球定位系统GPS卫星。上述系统中，所述姿态轨道确定模块包含：数据生成单元，根据GNSS接收机输出的多种导航卫星星座的卫星导航信息，生成多种导航卫星星座的伪距、伪距率和载波相位数据，并输出至修正单元和时空统一单元；修正单元，对接收到多种导航卫星星座的伪距和载波相位数据进行星历误差修正、电离层延时校正、整周模糊度求解和周跳检测，将修正后的多种导航卫星星座的伪距和载波相位数据输出至差分运算单元；差分运算单元，利用相对轨道要素的模型，对修正后的多种导航卫星星座的伪距和载波相位数据进行差分运算，获得星间相对位置信息和星间相对速度信息，输出至姿轨控计算机；时空统一单元，根据多种导航卫星星座的伪距、伪距率和载波相位数据，利用七参数布尔萨转换公式完成坐标系的统一，将多种导航卫星星座的伪距、伪距率和载波相位数据的时间统一至协调世界时UTC，利用组合定位方程和最小二乘法逐次迭代，计算获得三维位置信息，输出至第一联邦滤波单元；模型计算单元，生成卫星轨道动力学模型的状态方程，并输出至第一联邦滤波单元；第一联邦滤波单元，利用三维位置信息、来自星敏感器的卫星姿态角信息、卫星轨道动力学模型的状态方程、GNSS测距的状态方程及星敏感器角度观测的状态方程，进行状态方程的求解，获得卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息，利用线性最小方差算法及预测算法，对卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息进行滤波，并输出至姿轨控计算机；速率积分单元，对惯性器件输出的卫星姿态角信号进行速率积分，获得第一三轴角度信息，并输出至第二联邦滤波单元、第一联合定姿单元及第二联合定姿单元；第一联合定姿单元，利用星敏感器输出的卫星星光仰角及四元数姿态角，对速率积分单元输出的第一三轴角度信息的误差进行校正，获得第二三轴角度信息并输出至第二联邦滤波器；第二联合定姿单元，利用地球敏感器输出的卫星姿态角信息，对速率积分单元输出的第一三轴角度信息的误差进行校正，获得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星姿态轨道确定系统，该系统包含星上子系统，其特征在于，所述星上子系统包含：姿态轨道信号采集模块，采集多种导航卫星星座的卫星导航信号、卫星姿态角信号及卫星星光仰角，输出卫星导航信号、卫星姿态角信号及卫星星光仰角至姿态轨道确定模块；姿态轨道确定模块，从卫星导航信号中获得伪距、伪距率和载波相位数据，对伪距、伪距率和载波相位数据进行误差修正和差分运算，获得星间相对位置信息和星间相对速度信息，并输出至姿轨控计算机；所述姿态轨道确定模块利用最小二乘最优估计算法及时空统一算法，根据伪距、伪距率和载波相位数据进生成三维位置信息，利用飞行动力学模型和联邦滤波算法，对三维位置信息和卫星星光仰角进行联邦滤波算法，生成卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息，并输出至姿轨控计算机；所述姿态轨道确定模块利用卫星导航信号、卫星姿态角信息及卫星星光仰角，进行联合定姿，生成三轴角度，利用联邦滤波算法，对三轴角度进行最优估计，获得卫星的三轴姿态角度和卫星的三轴姿态角速度，并输出至姿轨控计算机；所述姿轨控计算机根据接收到的星间相对位置信息、星间相对速度信息、卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息，输出变轨指令至执行模块，根据卫星的三轴姿态角度和卫星的三轴姿态角速度，输出调姿指令至执行模块；执行模块，根据变轨指令调整系统所在卫星的轨道，根据调姿指令调整系统所在卫星的姿态；所述姿态轨道信号采集模块包含：多模卫星导航GNSS接收机，采集多种导航卫星星座的卫星导航信息，并输出至姿态轨道确定模块；惯性器件，采集卫星的卫星姿态角信号，并输出至姿态轨道确定模块；星敏感器，采集卫星的卫星星光仰角及四元数姿态角，并输出至姿态轨道确定模块；地球敏感器，采集卫星的卫星姿态角信息，并输出至姿态轨道确定模块；所述多种导航卫星星座至少包含北斗卫星和全球定位系统GPS卫星；所述姿态轨道确定模块包含：数据生成单元，根据GNSS接收机输出的多种导航卫星星座的卫星导航信息，生成多种导航卫星星座的伪距、伪距率和载波相位数据，并输出至修正单元和时空统一单元；修正单元，对接收到多种导航卫星星座的伪距和载波相位数据进行星历误差修正、电离层延时校正、整周模糊度求解和周跳检测，将修正后的多种导航卫星星座的伪距和载波相位数据输出至差分运算单元；差分运算单元，利用相对轨道要素的模型，对修正后的多种导航卫星星座的伪距和载波相位数据进行差分运算，获得星间相对位置信息和星间相对速度信息，输出至姿轨控计算机；时空统一单元，根据多种导航卫星星座的伪距、伪距率和载波相位数据，利用七参数布尔萨转换公式完成坐标系的统一，将多种导航卫星星座的伪距、伪距率和载波相位数据的时间统一至协调世界时UTC，利用组合定位方程和最小二乘法逐次迭代，计算获得三维位置信息，输出至第一联邦滤波单元；模型计算单元，生成卫星轨道动力学模型的状态方程，并输出至第一联邦滤波单元；第一联邦滤波单元，利用三维位置信息、来自星敏感器的卫星姿态角信息、卫星轨道动力学模型的状态方程、GNSS测距的状态方程及星敏感器角度观测的状态方程，进行状态方程的求解，获得卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息，利用线性最小方差算法及预测算法，对卫星相对惯性系的位置信息和卫星相对惯性系的速度信息进行滤波，并输出至姿轨控计算机；速率积分单元，对惯性器件输出的卫星姿态角信号进行速率积分，获得第一三轴角度信息，并输出至第二联邦滤波单元、第一联合定姿单元及第二联合定姿单元；第一联合定姿单元，利用星敏感器输出的卫星星光仰角及四元数姿态角，对速率积分单元输出的第一三轴角度信息的误差进行校正，获得第二三轴角度信息并输出至第二联邦滤波器；第二联合定姿单元，利用地球敏感器输出的卫星姿态角信息，对速率积分单元输出的第一三轴角度信息的误差进行校正，获得第三三轴角度信息并输出至第二联邦滤波器；第二联邦滤波单元，利用联邦滤波算法的主滤波方程对第一增益、第二增益和第三增益进行调整，利用第一增益对第一三轴角度信息进行滤波，利用第二增益对第二三轴角度信息进行滤波，利用第三增益对第三三轴角度信息进行滤波，对滤波后的三个信息进行野值剔除，将剔除后的信息进行最优估计运算，获得卫星三轴姿态角度和卫星的三轴姿态角速度，并输出至姿轨控计算机。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述星上子系统还包含：星间通信模块，用以建立与进行合作的卫星间的通信链路，发送星间相对位置信息和星间相对速度信息，接收另一卫星的位置信息和其速度信息并转发给姿态轨道确定模块；所述姿态轨道确定模块进一步根据另一卫星的位置信息和其速度信息，计算获得星间相对位置信息和星间相对速度信息，并输出至星间通信模块。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包含：地面子系统，利用通过无线通信链路接收到的卫星姿态信息和卫星轨道信息，生成卫星在轨飞行画面并输出；所述星上子系统的姿轨控计算机进一步根据变轨指令和调姿指令，生成卫星的姿态信息和卫星轨道信息并输出；所述星上子系统进一步包含：卫星平台总线，建立姿轨控计算机与遥测模块间的数据传输通道；遥测模块，通过平台总线，接收来自姿轨控计算机的卫星姿态信息和卫星轨道信息，并通过无线链路输出卫星姿态信号和卫星轨道信号。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述姿态轨道确定模块还包含：第一预测单元，利用预设的预测算法，对第一联合定姿单元输出的第二三轴角度信息进行预测，输出预测的第二三轴角度信息至第一联合定姿单元，以便第一联合定姿单元对计算获得的第二三轴角度信息进行修正；第二预测单元，利用预设的预测算法，对第二联合定姿单元输出的第三三轴角度信息进行预测，输出预测的第三三轴角度信息至第二联合定姿单元，以便第二联合定姿单元对计算获得的第三三轴角度信...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轶，王主凤，徐微，
申请(专利权)人：北京国科环宇空间技术有限公司，
类型：发明
国别省市：