基于星载处理器的自主定轨方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】基于星载处理器的自主定轨方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及一种基于星载处理器的自主定轨方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
【发明内容】
[0005]本发明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。
[0006]本发明的技术方案是: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发明的技术方案。
[0007]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。
[0008]以下以AB两颗星为例详细描述得到星间观测量的过程。
[0009](I)起始时刻为岛，A星发B星收，测得的伪距/?存储在B星。
[0010](2)时刻％ + τ，A星收B星发，测得的伪距Pa存储在A星。
[0011](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。
[0012](4) A星将伪距,?和/?配对，做好观测量归化计算准备。
[0013]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。
[0014](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。
[0015](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^。
[0016](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。
[0017]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。
【权利要求】
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 < P2 =水 Χ2- Χ? +(^2 _ j)2 +(?+?(I)
Pi = -^(? - xY+(? -y'f +(? - zf +υ3 对式(i)进行求解，即得到卫星的位置坐标，对式(I)进行线性化，假设已知卫星的概略位置坐标(6^,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 X= %+Δ;τ4夕 UAf(2)
Z ~ Zri "￥ Az KO (3.2)对式(I)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
2.根据权利要求1所述的基于星载处理器的自主定轨方法，其特征在于，所述星间双向观测量归算，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F，则一个测量周期为2Fr, (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?'ο+ATr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，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凡^， (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。
3.根据权利要求1所述的基于星载处理器的自主定轨方法，其特征在于，所述星历参数拟合，计算卫星位置所用到的基本广播星历参数有16个
【文档编号】G01C21/24GK103542854SQ201310531747
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年11月2日 优先权日:2013年11月2日
【发明者】冯旭哲, 杨俊 , 陈建云, 黄文德, 胡梅, 李鑫 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学