基于星载处理器的自主定轨方法技术

本发明专利技术提供了一种基于星载处理器的自主定轨方法。该方法利用星间测距，克服导航卫星定轨在脱离地面站支持的条件下定轨精度发散的难题，完成导航卫星之间精密测量数据转换、不同时间测量值归算、几何定轨、动力学定轨、自主星历生成等多项步骤，实现脱离地面站数据上注支持的导航卫星自主定轨算法。本方法在脱离地面站支持的条件下，即没有地面站测量数据，也没有地面站上注数据，导航卫星仅仅凭借星际双向测量的结果，并结合导航卫星上预存的60天长期预报星历，通过导航卫星自主运算，得到导航卫星的实时轨道预报结果，并可生成广播星历下发。

Autonomous Orbit Determination Method Based on on-board processor

The invention provides an autonomous orbit determination method based on a satellite borne processor. The method of using inter satellite ranging, navigation satellite orbit determination to overcome the problem from the ground station support under the conditions of the orbit accuracy of divergence, complete the navigation satellite between precision measurement data conversion, different time measurement value reduction, geometric orbit determination and orbit determination, and a number of independent ephemeris generation steps to achieve from the ground station data note the support navigation satellite autonomous orbit determination. This method from the ground station support conditions, there is no ground station data, there is no ground station data note, just by virtue of interstellar navigation satellite two-way measurement results, combined with the existing pre navigation satellite on the 60 day of long term ephemeris, the navigation satellite autonomous operation, real-time navigation satellite orbit prediction results, and can generate the broadcast ephemeris issued.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及一种。
技术介绍
全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)能够为地球及近地空间的任意地点提供全天候的精密位置和时间信息。全球卫星导航系统可支持各种需要精确位置与时间信息的战术操作，与通信、计算机和情报监视等其他系统构成多兵种协同作战指挥系统，已成为武装力量的支撑系统和战斗力倍增器，是我国基于信息系统体系作战能力形成过程中必不可少的核心关键系统之一。除此之外，卫星导航系统已广泛应用于国民经济各个领域，不仅为经济发展提供了强大的动力，且已成为关系国计民生的重要基础设施。传统的导航卫星定轨方法为:多个已知精确坐标的地面站对导航卫星进行大量、长时间的测量，测得的数据在地面站计算并最终得到导航卫星轨道数据。导航卫星提供给地面用户的广播星历，需要地面站通过星历上注的方式获取。如果失去地面站支持，则导航卫星无法得到自身轨道以及提供给地面用户的广播星历。即使导航卫星通过预存保留了一段时间的预报星历，在地面站无法定期上注更新参数的情况下，预报星历因为精度发散而无法使用。基于星间测距的导航卫星自主定轨方法，主要是导航卫星在脱离地面站支持的前提下，仅依靠星间精密测量的数据，对卫星轨道进行定位，并生成广播星历下发，使导航卫星在脱离地面站支持的情况下仍具备一定的功效，保持了导航能力。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服导航卫星定轨在脱离地面站支持的条件下定轨精度发散的难题，提供了一种基于星间测距的导航卫星自主定轨方法，完成导航卫星之间精密测量数据转换、不同时间测量值归算、几何定轨、动力学定轨、自主星历生成等多项步骤，实现了脱离地面站数据上注支持的导航卫星自主定轨算法。本专利技术的技术方案是:通过星间(星地)精密测量得到星间(星地)精密测量值，即距离观测量，对星间距离观测量进行时间归化，得到同一时刻的星间测距观测量；经过一段时间的累积，得到卫星的几何定位值；在卫星几何定位的基础上，进行卫星动力学定轨；轨道动力学外推然后输出预报星历。具体步骤如下: 下列步骤中的卫星编号并非人为指定，而仅仅为叙述方便，卫星编号和卫星之间的对应关系并不影响本专利技术的技术方案。步骤1:星间双向观测量生成 星间观测量并非连续获得，而是根据星间链路的节拍分时获取，假设节拍周期为r，起始时刻力则在2 τ时间内完成一次双向测量。具体为A时刻A星发B星收，&+ τ时刻A星收B星发A +2 τ时刻A星发C星收，r? +3 τ时刻A星收C星发；以此类推。在一个测量周期内的第二个节拍，B星在完成测量的同时，将第一个节拍得到的测量数据发送回A星，即A星在一个测量周期内得到了 AB星的双向测量数据。以下以AB两颗星为例详细描述得到星间观测量的过程。(I)起始时刻为岛，A星发B星收，测得的伪距/?存储在B星。(2)时刻％ + τ，A星收B星发，测得的伪距Pa存储在A星。(3)仍然在时刻& + τ，B星将步骤I测得的伪距,?从通信通道发至A星。(4) A星将伪距,?和/?配对，做好观测量归化计算准备。步骤2:星间双向观测量归算由于星间链路直接观测量为不同时刻的测量值，因此在用于自主定轨之前需要进行预处理，即将观测量归化到同一时刻。输入为本地卫星A与建链卫星B的多个周期接收时刻伪距观测值CbPi),输出值为将各周期接收时刻伪距(^只)归化到指定接收时刻对应的伪距I Pa )；具体做法为:(O首先确定本星需要建立双向测量的卫星数量，假设为则一个测量周期为2ATr。(2)确定不同测量值需要规化的时刻点，一般为某条测量链路起始时刻到测量周期的中点，即4+￥1.时刻；这时计算其它链路对应到此时刻点的值，由于测量链路为时分体制，因此对于不同的测量链路此时刻点不相同。(3)每条测量链路分别进行归化计算。一般数据积累点为测量周期的10倍以上，确保测量周期以及归化时刻点的前后数据大体相当，此时总的数据点数量假设为^。(4)计算插值系数矩阵，并根据系数矩阵和归化时刻点，计算归化时刻点测量值。步骤3:几何定位 (I)给定卫星初始位置 此时，对于不同的卫星来说，可以建立不同的观测量方程组。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于星载处理器的自主定轨方法，其特征在于，通过星间精密测量得到星间精密测量值，即距离观测量，?对星间距离观测量进行时间归化，得到同一时刻的星间测距观测量；经过一段时间的累积，得到卫星的几何定位值；在卫星几何定位的基础上，进行卫星动力学定轨；轨道动力学外推然后输出预报星历，具体步骤如下：步骤1：星间双向观测量生成星间观测量并非连续获得，而是根据星间链路的节拍分时获取，假设节拍周期为????????????????????????????????????????????????，起始时刻为，则在2时间内完成一次双向测量，具体为：时刻A星发B星收，+时刻A星收B星发；+2时刻A星发C星收，+3时刻A星收C星发；以此类推，在一个测量周期内的第二个节拍，B星在完成测量的同时，将第一个节拍得到的测量数据发送回A星，即A星在一个测量周期内得到了AB星的双向测量数据；步骤2：星间双向观测量归算由于星间链路直接观测量为不同时刻的测量值，因此在用于自主定轨之前需要进行预处理，即将观测量归化到同一时刻，输入为本地卫星A与建链卫星B的多个周期接收时刻伪距观测值，输出值为将各周期接收时刻伪距归化到指定接收时刻对应的伪距；步骤3：几何定位具体为：（3.1）给定卫星初始位置对于不同的卫星，建立不同的观测量方程组,???????????????????????（1）??????????对式(1)进行求解，即得到卫星的位置坐标，对式(1)进行线性化，假设已知卫星的概略位置坐标，则只需对概略位置进行相应的改正即可得到卫星位置坐标，改正量用表示，此时得到的卫星位置坐标应为估计值，记为，于是有??????????????????????????????????????????????????（2）（3.2）对式（1）在卫星概略位置坐标处进行线性化，并忽略2阶以上高阶项，得?????????（3）其中，为地面站到卫星距离的近似值?????（4）为地面站到卫星的观测矢量的方向余弦，即????????（5）于是，令，?，?，?则式（3）可写成矩阵形式??????（6）令为式（6）的解算原则，即????（7）则式（7）的最优解为?????（8）当观测的卫星只有3个时，式（8）的解为????????（9）当观测的卫星数量大于3个时，式（8）的解为???（10）对（10）式给出加权最小二乘解为??（11）其中，为观测权矩阵；（3.3）用上一步计算结果更新卫星位置；（3.4）比较两次计算结果，判断是否满足收敛标准，如果满足则直接输出卫星位置估计值；否则用这次计算的卫星位置作为初始值，返回步骤（3.2）继续计算；步骤4：卫星动力学定轨（4.1）给定卫星初始位置动力学定轨即利用动力学模型，得到卫星的轨迹曲线，采用动力学离散模型为：???(12)其中，、、、、、、分别为：当前历元轨道修正值、前一历元轨道修正值、模型噪声矩阵、观测值、观测矩阵、状态传递矩阵、观测误差矩阵；应用扩展Kalman滤波方法对（12）式进行求解，其步骤如下：（4.2）计算得到时刻的积分参考轨道和状态转移矩阵；（4.3）从而得到预报状态????（13）（4.4）预测状态协方差矩阵???（14）其中，为模型噪声的协方差矩阵，为为上一状态的轨道估计值；（4.5）计算新息向量及其协方差矩阵????（15）??（16）其中，为测量噪声的协方差矩阵，为新息向量，为新息向量的协方差矩阵，（4.6）计算增益矩阵???（17）（4.7）求解新的状态估计值???（18）（4.8）更新状态协方差矩阵???（19）从而可以对时刻的积分参考轨道进行修正???（20）（4.9）如果满足设定门限则直接输出结果，否则返回步骤（4.1）继续计算；步骤5：星历参数拟合设星历参考时刻，则相对于定轨时刻是未来时，需要将定轨时刻得到的轨道进行外推预报，设动力学定轨得到的轨道为，为轨道历元，为轨道根数，这里的轨道外推涉及两个过程：一是将时刻的轨道预报到星历参考时刻，得到；二是为了计算星历参数所需的轨道外推，在时刻轨道的基础上外推1?2个小时。929021dest_path_image001.jpg,614955dest_path_image002.jpg,475595dest_path_image001.jpg,723037dest_path_image002.jpg,229979dest_path_image002.jpg,158752dest_path_image001.jpg,936215dest_path_image002.jpg,853094dest...

【技术特征摘要】
1.基于星载处理器的自主定轨方法，其特征在于，通过星间精密测量得到星间精密测量值，即距离观测量，对星间距离观测量进行时间归化，得到同一时刻的星间测距观测量；经过一段时间的累积，得到卫星的几何定位值；在卫星几何定位的基础上，进行卫星动力学定轨；轨道动力学外推然后输出预报星历，具体步骤如下: 步骤1:星间双向观测量生成 星间观测量并非连续获得，而是根据星间链路的节拍分时获取，假设节拍周期为T，起始时刻为& ,则在2 τ时间内完成一次双向测量，具体为:?时刻A星发B星收,? +τ时刻A星收B星发；^ +2 τ时刻A星发C星收，i0 +3 r时刻A星收C星发；以此类推，在一个测量周期内的第二个节拍，B星在完成测量的同时，将第一个节拍得到的测量数据发送回A星，即A星在一个测量周期内得到了 AB星的双向测量数据； 步骤2:星间双向观测量归算 由于星间链路直接观测量为不同时刻的测量值，因此在用于自主定轨之前需要进行预处理，即将观测量归化到同一时刻，输入为本地卫星A与建链卫星B的多个周期接收时刻伪距观测值(?, Pi),输出值为将各周期接收时刻伪距(?,/?)归化到指定接收时刻对应的伪距 > Ar)； 步骤3:几何定位 具体为: (3.1)给定卫星初始位置 对于不同的卫星，建立不同的观测量方程组， I/ \2\2~~~f \? Ρι = ψΛ~χ) +(yi~y) +{ζι~z) +?ι ...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯旭哲，杨俊，陈建云，黄文德，胡梅，李鑫，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：