[發明專利]一種高精度實時微納衛星集群導航方法

有效

• 申請號: 202010329840.8
• 申請日: 2020-04-24
• 公開（公告）號: CN111487660B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 孫秀聰;耿鋮;賈振俊;陳培
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S19/42
• 分類號: G01S19/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種基于全球導航衛星系統(GNSS)單頻接收機的微納衛星集群分布式導航方案，構建適用于高精度導航的微納衛星集群絕對和相對軌道動力學模型，建立了單頻組合觀測數據與載波相位差分數據的融合機制，進而設計了一種高精度微納衛星集群導航方法。本發明采取了分布式導航的理念，即集群中每顆衛星均可以向其他衛星發送自身的GNSS測量信息，并且每顆衛星均可以利用接收到的其他衛星以及自身的GNSS測量信息對集群所有衛星進行導航。本發明的具體實現方法是利用GNSS觀測量和基于載波差分得到的相對位置矢量對利用動力學模型計算得到的衛星位置、速度等狀態量的估計量進行基于卡爾曼濾波的修正，從而得到衛星集群高精度的絕對與相對位置信息，實現對衛星集群進行高精度導航的目的。本發明具有導航精度高、實時性好的優點。

技術領域

本發明提供一種具有較高精度和實時性的微納衛星集群導航方法，它涉及一種使用GNSS(Global Navigation Satellite System)廣播星歷、單頻偽距與載波相位信息，以及基于載波差分計算得到的星間相對位置矢量，利用拓展卡爾曼濾波對衛星集群進行高精度導航的方法。屬于導航技術領域。

背景技術

基于GNSS的衛星精密定軌技術最早可以追溯到1975年美國洛克希德導彈公司關于應用GPS進行航天器導航的可行性研究。研究認為，在800km軌道高度以下，使用星載GPS接收機進行導航在技術上完全具有可行性，在更高軌道下的導航也具有巨大的研究與發展空間。1982年，美國的地球資源衛星衛星LandSat-4使用星載GPS接收機實現了無SA干擾情況下位置誤差小于50m的導航精度，證明了GPS技術在航天器導航領域應用的可行性。

經過幾十年的發展，基于GNSS的低軌衛星定軌技術已經趨于成熟。目前，定軌方法分為兩種方法，一種是約化動力學方法，另一種是運動學方法。

約化動力學方法最早由T.P.Yunck、S.CWu等學者與1986年提出，并且運用于實際的衛星定軌任務。該方法將衛星的軌道動力學方程與GPS觀測方程進行融合，在動力學信息與幾何信息間進行最優求解，既削弱了動力學模型誤差影響，也實現了在GPS衛星幾何分布較差或數據中斷情況下繼續實現定軌。該方法充分發揮了衛星軌道動力學與GPS測量兩方的優點，提供的軌道解是衛星質心。早在2000年P.N.A.M Visser和J.van den Ijssel使用雙頻GPS接受數據通過對GOCE衛星的定軌就已經驗證了，約化動力學方法得到的軌道精度可達到厘米級。

2002年Chiaradia研究了使用單頻GPS數據對Topex/Poseidon衛星進行實時約化動力學定軌的方法，達到了十數米的定軌精度，驗證里使用廉價單頻GPS接收機對低軌衛星進行實時定軌的可行性。

如今，后處理約化動力學定軌方法已經非常成熟，定軌精度高，而且基于單頻、實時的約化動力學定軌方法也得到了廣泛的研究，但約化動力學方法計算復雜、計算量大、受動力學模型精度影響等最本質問題的存在，使得其并不能很好的適用于任務預算、星上資源有限的小衛星、微納衛星定軌任務以及衛星變軌等情景。因而，通用性更加廣泛、研究相對較少的GNSS運動學定軌方法應該受到更廣泛的關注。

基于GNSS的運動學定軌方法是一種只依賴接收機接收到的GNSS偽距信息和載波相位信息進行定位解算的方法。該方法提供的軌道解是星載GNSS接收機天線相位中心的位置。

2003年，Montenbruck就驗證了純運動學定軌方法的精度，其采用單頻測量數據，GRAPHIC組合消電離層的方法最終取得了1-1.5m的定軌三維誤差，說明了純運動學高精度定軌可行性。但是相較于約化動力學方法，運動學定軌方法研究較少，尤其是在單頻實時領域。

綜上，本發明提出了一種高精度的實時微納衛星集群導航方法，其利用接收機接收到的GNSS廣播星歷、單頻偽距和載波相位信息，通過拓展卡爾曼濾波器(EKF)對絕對和相對動力學模型得到的狀態量預測值進行修正，得到高精度導航結果。并利用分布式設計理念，通過融合衛星集群中每顆衛星的導航結果得到衛星集群最終的高精度導航結果。

發明內容