专利名称：基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法
技术领域：
本发明涉及基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，属于卫星自主导航技术领域。
背景技术：
传统的卫星自主导航方法包括基于光学敏感器(如紫外敏感器)的天文导航方法和基于星间距离测量的星座自主导航方法等，其中，基于光学敏感器的天文导航受到地心方向提取精度的限制，难以满足卫星高精度自主导航的要求；基于地球卫星的星间距离测量进行星座自主导航导航时存在“亏秩”问题，即仅距离测量情况下不能对星座的整体旋转形成有效的几何约束，造成星座卫星的绝对定位误差随时间增长而逐步积累。在地球卫星和月球卫星之间建立星间链路，进行星间距离测量，此时，两颗卫星的动力学特性分别受到地球和月球引力的显著影响，导航系统是可观的。基于地球卫星和月球卫星之间的距离测量信息，以及三体轨道动力学方程，通过设计适当的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法，可以同时估计出地球卫星和月球卫星的绝对位置，实现仅依赖星间测距信息的高精度自主导航。但是，由于地月卫星联合测距信息不直接反映地球卫星和月球卫星的绝对位置，对状态变量的修正作用较弱，且自主导航系统的状态方程和观测方程都是非线性的，较大的初始位置误差会导致滤波收敛速度变慢，甚至导致滤波发散。因此，基于地球卫星和月球卫星联合测距的自主导航性能易受初始位置误差影响。为了克服初始位置误差的影响，本发明提出，融合地月卫星联合测距信息和紫外敏感器的测量信息，建立基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航系统。紫外敏感器能同时对地球和恒星成像，集成了地球敏感器和星敏感器的功能。采用紫外敏感器可以直接从成像信息中提取导航所需的星光角距观测量。将紫外敏感器的星光角距测量信息引入自主导航系统，能够增强测量信息的修正作用，为导航系统提供中等精度的先验位置信息；在此基础上，结合高精度的地月卫星联合测距信息，可以实现地球卫星和月球卫星高精度自王导航。
发明内容
本发明的技术解决问题是:针对基于地月卫星联合测距的自主导航性能易受初始误差影响的问题，提出基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，在地月卫星联合测距的基础上增加紫外敏感器测量信息，能够显著改善导航滤波器的收敛性，在初始误差较大的情况下实现卫星高精度自主导航。本发明的技术解决方案是:基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，步骤如下:(I)选择参与导航的一颗地球卫星和一颗月球卫星的位置矢量和速度矢量在地心惯性坐标系的分量作为状态变量；(2)在所述地球卫星和月球卫星之间建立星间链路，通过无线电测距的方法获取地球卫星和月球卫星的星间距离观测量；(3)通过安装在地球卫星上的紫外敏感器同时对地球和恒星进行观测，获取星光角距观测量；(4)利用扩展卡尔曼滤波算法处理步骤(2)中得到的地球卫星和月球卫星的星间距离观测量和步骤(3)中得到的星光角距观测量，获得状态变量的估计值，即地球卫星和月球卫星的位置矢量和速度矢量的估计值，从而实现基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航。所述步骤⑴中状态变量为:x(tk) = [ (x0 (tk))T (X1(^tk))1T其中，Xi (tk) = [(r.a,))1^^))1]1rj (tk) = Lrij x(tk) Tij y(tk) Tij z(tk)]TVi (tk) = [vijX(tk)vijy(tk)vijZ(tk)]T
r0(tk)和VtlUk)表示地球卫星的位置矢量和速度矢量，Γ! (tk)和￥1(1:15)表示月球卫星的位置矢量和速度矢量，下标i = O表示地球卫星，i = I表示月球卫星,tk表示时间。所述步骤(2)中地球卫星和月球卫星的星间距离观测量为:d (tk) = I IT1 (tk) -r0 (tk) I I +vd (tk)其中，d(tk)表示地球卫星和月球卫星的星间距离观测量，符号11.11表示求矢量的范数，vd(tk)表示星间距离测量噪声。所述步骤(3)中星光角距观测量为:
权利要求
1.基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，其特征在于步骤如下: (1)选择参与导航的一颗地球卫星和一颗月球卫星的位置矢量和速度矢量在地心惯性坐标系的分量作为状态变量； (2)在所述地球卫星和月球卫星之间建立星间链路，通过无线电测距的方法获取地球卫星和月球卫星的星间距离观测量； (3)通过安装在地球卫星上的紫外敏感器同时对地球和恒星进行成像观测，通过图像处理获取星光角距观测量； (4)利用扩展卡尔曼滤波算法处理步骤(2)中得到的地球卫星和月球卫星的星间距离观测量和步骤(3)中得到的星光角距观测量，获得状态变量的估计值，即地球卫星和月球卫星的位置矢量和速度矢量的估计值，从而实现基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航。
2.根据权利要求1所述的基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，其特征在于:所述步骤(I)中状态变量为:
3.根据权利要求1所述的基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，其特征在于:所述步骤(2)中地球卫星和月球卫星的星间距离观测量为:
4.根据权利要求1所述的基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，其特征在于:所述步骤(3)中星光角距观测量为:
5.根据权利要求1所述的基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，其特征在于:所述步骤(4)中通过扩展卡尔曼滤波算法处理星间距离和星间角距观测量，获得状态变量的估计值具体为:
全文摘要
基于地月卫星联合测距和紫外敏感器的组合导航方法，通过地球卫星和月球卫星之间的星间链路获取地月卫星联合测距信息，通过紫外敏感器获取星光角距测量信息；进而，采用扩展卡尔曼滤波算法，通过递推计算处理观测量序列，获得参与导航的地球卫星和卫星的位置和速度的估计值。本发明所述方法可用于实现具有较高精度需求的卫星自主导航任务，有助于降低卫星对地面测控的依赖程度，增强卫星系统在紧急情况下的自主生存能力。
文档编号G01C21/02GK103148849SQ20131007818
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者熊凯, 魏春岭, 何英姿 申请人:北京控制工程研究所