[發明專利]一種雙星編隊僅測距相對導航方法

有效

• 申請號: 201810481185.0
• 申請日: 2018-05-18
• 公開（公告）號: CN108917764B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 龔柏春;李爽;趙吉松;施俊杰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/24
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明一種雙星編隊僅測距相對導航方法，能夠在衛星不進行特殊軌道機動，也不增加星載數據鏈接收天線的情況下，僅依靠天線接收機的偏離質心安裝和姿態機動輔助，就能實現雙星編隊的自主相對導航。其以雙星編隊中雙星的相對軌道運動方程為導航狀態方程進行相對軌道進行演化，以偏離衛星質心安裝的星載數據鏈天線接收機測量的相對距離信息，通過迭代算法求解相對位置和相對速度，完成雙星編隊僅測距相對導航。通過引入天線接收機偏離衛星質心安裝的偏心效應，獲得僅測距相對導航解的可觀測能力；采用姿態機動輔助提升可觀測度，并通過迭代求解方式獲得相對位置和速度。

技術領域

本發明屬于空間自主相對導航領域，涉及一種雙星編隊僅測距相對導航方法。

背景技術

隨著空間技術的發展和空間環境的日益惡化，空間任務的復雜程度日益提升。以往通過單顆昂貴精密衛星就能完成的任務，因為其代價高、研制周期長、可維護性差、工作壽命限制等問題，很大一部分將逐步被分布式衛星系統所取代。

分布式衛星系統工作的重要環節之一便是衛星編隊飛行，而高精度的相對導航則是編隊飛行的關鍵前提。常用的微波雷達因為其系統復雜、造價昂貴、能耗巨大等原因，往往只能在諸如飛船等大型航天器上安裝使用；激光雷達同樣系統復雜、功耗較高，結構和能源方面的限制使得激光雷達難以大量普及使用；光學相機對測量環境要求較高，因為存在目標處于背陰弧段時太暗無法進行可見光成像，目標和相機都處于向陽弧段時強光使得曝光失敗導致測量失效的問題，所以光學相機的有效測量弧段相當受限；而采用星載數據鏈測距導航的方式，不需要增加額外的硬件設備，也不增加額外的能源消耗，利用衛星相互通訊時的副產品“時標信息”測距導航具有獨特的優勢。而通過“時標信息”測距的測量方式只能獲得相對距離信息，缺乏相對方位信息，帶來了相對軌道的可觀測性問題。

目前國內外解決該問題主要有兩類方案：1、軌道機動方案，通過衛星進行特殊軌道機動引入新的距離信息實現定軌，而在相對軌道不明確的情況下實施軌道機動可能會對編隊衛星的安全性和燃料消耗產生重要影響。2、雙天線方案，該方案衛星平臺安裝兩個天線信號接收器，利用兩個接收器的基線獲得相對軌道可觀測性，而該方案需要額外的硬件設備。因此，現有技術中，雙星編隊僅測距相對導航，均需要通過衛星平臺軌道機動或者需要多個接收機協同測量完成相對導航，不僅操作復雜，安全性不高，而且燃料消耗大，可觀測性低。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種雙星編隊僅測距相對導航方法，設計合理，操作簡單，能夠在衛星不進行特殊軌道機動，也不增加星載數據鏈接收天線的情況下，僅依靠天線接收機的偏離質心安裝和姿態機動輔助，就能實現雙星編隊的自主相對導航。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種雙星編隊僅測距相對導航方法，以雙星編隊中雙星的相對軌道運動方程為導航狀態方程進行相對軌道進行演化，以偏離衛星質心安裝的星載數據鏈天線接收機測量的相對距離信息，通過迭代算法求解相對位置和相對速度，完成雙星編隊僅測距相對導航。

優選的，具體包括如下步驟，

步驟1、建立天線接收機偏離衛星質心安裝情況下的相對距離測量模型；

步驟2、通過線性化的Clohessy-Wiltshire相對運動動力學，由狀態轉移方式，對編隊雙星之間的相對軌道進行演化；

步驟3、將狀態轉移方式引入到相對距離測量模型中，得到相對距離測量量與測量時間、初始軌道、天線接收機偏心安裝矢量的關系表達式；該關系表達式是以相對距離測量量ρ_i和對應測量時刻t_i為輸入，以相對位置和速度x₀、y₀、z₀，和六個量為未知數的非線性方程組；

步驟4、采用修正的牛頓迭代法對m次測量的相對距離測量模型進行迭代求解得到雙星相對位置和相對速度，完成雙星編隊僅測距相對導航。