[發明專利]一種基于地球衛星和月球衛星聯合測距的自主導航方法

有效

• 申請號: 201210504473.6
• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN102998687A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 熊凱;魏春嶺;何英姿
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01S19/47
• 分類號: G01S19/47
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種基于地球衛星和月球衛星聯合測距的自主導航方法，屬于衛星自主導航技術領域。

背景技術

衛星自主導航指的是在不依賴地面測控系統支持的情況下，僅依靠星上搭載的測量、通訊和計算設備確定自身的位置和速度。實現衛星自主導航是進行衛星自主控制的基礎，有助于降低衛星對地面測控的依賴程度，增強衛星系統在緊急情況下的自主生存能力。但是，以目前的技術水平，中高軌衛星缺乏高精度自主絕對導航手段。傳統的衛星自主導航方法包括基于光學敏感器的天文導航方法和基于地球衛星星間距離測量的方法等，其中，基于光學敏感器的天文導航受到地心方向提取精度的限制，難以滿足衛星高精度自主導航的要求；基于地球衛星星間距離測量進行導航時存在“虧秩”問題，即僅距離測量情況下不能對星座的整體旋轉形成有效的幾何約束，造成衛星的絕對定位誤差隨時間增長而逐步積累。

以往研究表明，將衛星軌道動力學方程簡化為二體問題處理時，基于星間測距的衛星導航系統是不可觀的；如果考慮衛星軌道運動的三體問題，即同時考慮地球和月球引力影響，那么，星間測距導航系統是可觀的。但是，對于參與導航的2顆衛星均為地球衛星的情況，由于月球引力對地球衛星動力學的影響較小，導航系統的可觀度較弱，事實上仍然難以實現高精度導航。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提出一種基于地球衛星和月球衛星聯合測距的自主導航方法，能夠實現衛星高精度自主導航，為衛星自主運行奠定技術基礎。

本發明的技術解決方案是：

一種基于地球衛星和月球衛星聯合測距的自主導航方法，步驟如下：

(1)選擇參與導航的一顆地球衛星和一顆月球衛星的位置矢量和速度矢量在地心慣性坐標系的分量作為狀態變量；

(2)在所述地球衛星和月球衛星之間建立星間鏈路，通過無線電測距的方法獲取地球衛星和月球衛星的星間距離觀測量；

(3)利用擴展卡爾曼濾波算法處理步驟(2)中得到的地球衛星和月球衛星的星間距離觀測量，獲得狀態變量的估計值，即地球衛星和月球衛星的位置矢量和速度矢量的估計值，從而實現了地球衛星和月球衛星的自主導航。

所述步驟(1)中狀態變量為：

x(t_k)＝[(x₀(t_k))^T(x_i(t_k))^T]^T

其中，

x_i(t_k)＝[(r_i(t_k))^T(v_i(t_k))^T]^T

r_i(t_k)＝[r_i，x(t_k)r_i，y(t_k)r_i，z(t_k)]^T

v_i(t_k)＝[v_i，x(t_k)v_i，y(t_k)v_i，z(t_k)]^T

r₀(t_k)和v₀(t_k)表示地球衛星位置矢量和速度矢量，r₁(t_k)和v₁(t_k)表示月球衛星的位置矢量和速度矢量，下標i＝0表示地球衛星，i＝1表示月球衛星，t_k表示時間。

所述步驟(2)中地球衛星和月球衛星的星間距離觀測量為：y(t_k)＝h(x(t_k))+v(t_k)

其中，

h(x(t_k))＝||r₁(t_k)-r₀(t_k)||

y(t_k)表示地球衛星和月球衛星的星間距離觀測量，符號||·||表示求矢量的范數，v(t_k)表示測量噪聲。