专利名称：一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，属于卫星通信领域。
背景技术：
航天技术的发展，使得人类对太空的探索逐步的深入和细化，航天交会对接、小卫星编队、星间链路的建立、空间站的维护等任务使得相对测量技术成为航天工作者关注的执占。以GPS为代表的全球卫星导航定位系统，具有全球覆盖、全天时、全天候工作的特性，可实时的为用户提供高精度时间位置速度等信息的能力。但是基于测量设备的导航系统的数据稳定性受到系统稳定性的限制，如GPS接收机的正常工作依赖于GPS系统的稳定性，其抗干扰能力差，已无法满足航天任务对导航定位和相对位置数据的长时间连续稳定输出的要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，通过在星上使用解析法定轨的轨道改进和预报模型对星间相对位置进行长时间预测。本发明的技术解决方案是一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，所述卫星星座包括主星和副星， 步骤如下(1)通过主星和副星的GPS接收机分别实时获得主星和副星的原始轨道点位数据，所述原始轨道点位数据包括时间、位置和速度信息；(2)在主星和副星的原始轨道点位数据同时有效的条件下，对所述主星和副星的原始轨道点位数据进行等间隔采样，采样间隔在30s到90s之间；(3)当步骤O)中得到的主星和副星的采样数据积累的时间超过一个轨道周期时，以当前采样时刻为参考时间，同时对主星和副星累积的采样数据进行轨道改进，分别得到改进后的主星和副星的轨道平根数；(4)根据步骤(3)中得到的改进后的主星和副星的轨道平根数分别对主星和副星进行轨道预报并通过转换分别得到主星和副星的绝对位置；(5)将步骤中得到的主星和副星的绝对位置进行差分，得到主星和副星之间的相对位置，所述相对位置的模即为主星和副星之间的距离。所述步骤(3)中对主星和副星累积的采样数据进行轨道改进通过如下步骤进行(2. 1)解析形式的低阶轨道摄动模型采用地球重力场模型的二阶带谐项和不大于四阶的田谐项；(2.2)在步骤(2. 1)的条件下，以当前采样时刻、为参考时间，计算、对应的轨道平根数^o，并将^o作为初始轨道参数；
(2. 3)采用解析形式的低阶轨道摄动模型对参考时间、的轨道平根数丙进行轨道外推，即轨道预报，得到任一时刻的轨道平根数。；(2. 4)将步骤(2. 3)中得到的所述任一时刻的轨道平根数。转换成轨道瞬时根数 σ j后，再转换成轨道系下的位置巧和速度，即为预报轨道点位数据；(2. 5)计算步骤(2. 4)中得到的位置巧对轨道瞬时根数σ彳的偏导数矩阵；(2. 6)将所述原始轨道点位和所述预报轨道点位之差作为右端项、将一个轨道周期内的所有采样时刻的偏导数矩阵作为系数矩阵，建立条件方程组，将条件方程组法化之后，采用基于最小二乘估计原理的高斯法求解线性观测方程组，得到轨道平根数的增量，所述线性观测方程组即为建立的条件方程组；(2. 7)根据步骤(2. 6)中得到的轨道平根数的增量，修正上一次的轨道平根数，完成轨道改进的一次迭代过程；之后按照步骤(2. (2.6)的过程继续迭代，直到原始轨道点位与预报轨道点位之间的残差收敛之后，得到轨道改进后的参考时间t。的轨道平根数
^0 ο所述主星和副星运行在高度为300 1200km的轨道上。所述主星和副星之间的距离在0 150km的范围内。本发明与现有技术相比的有益效果是(1)本发明方法选用基于解析法定轨作为星间相对位置长时间预报的核心，通过 GPS接收机实时获取主星和副星的原始轨道点位数据，通过其轨道改进模型在轨实时得到改进后的轨道平根数，以此分别对主副星进行长时间的轨道预报，将两者的差分作为相对位置；该方法完全在星上实现，不需要地面的支持，因此能够实现卫星编队和星间链路的自主维持；(2)在理论上使用轨道摄动理论分析解析法定轨技术的预报模型，对其预报的两颗卫星(主星和副星)的星间相对位置误差进行理论分析，有效提高了星间相对位置长期预报的精度；(3)本发明方法不但适用于基于GPS定位的卫星，还可以扩展到基于GL0NASS、 feilileo、北斗定位的卫星。
图1为本发明方法的流程框图。
具体实施例方式本发明提供了一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，所述卫星星座包括主星和副星，如图1所示，步骤如下(1)通过主星和副星的GPS接收机分别实时获得主星和副星的原始轨道点位数据，所述原始轨道点位数据包括时间、位置和速度信息；(2)在主星和副星的原始轨道点位数据同时有效的条件下，对所述主星和副星的原始轨道点位数据进行等间隔采样，采样间隔在30s到90s之间；主星或者副星的原始轨道点位数据有可能会有毛刺，对于主星或者副星其一或者全部都有毛刺的情况，视为无效。若某一个原始轨道点位数据无效，但是刚好这个点是待采样的点位，那么后移Is采样。
(3)当步骤O)中得到的主星和副星的采样数据积累的时间超过一个轨道周期时，以当前采样时刻为参考时间，同时对主星和副星累积的采样数据进行轨道改进，分别得到改进后的主星和副星的轨道平根数；主星和副星组成卫星星座，主星和副星的相对位置是近似固定的，因此主星和副星的轨道周期一致。(4)根据步骤(3)中得到的改进后的主星和副星的轨道平根数分别对主星和副星进行轨道预报并通过转换分别得到主星和副星的绝对位置和绝对速度；(5)将步骤中得到的主星和副星的绝对位置进行差分，得到主星和副星之间的相对位置，所述相对位置的模即为主星和副星之间的距离。所述步骤(3)中对主星和副星累积的采样数据进行轨道改进通过如下步骤进行(2. 1)解析形式的低阶轨道摄动模型采用地球重力场模型的二阶带谐项和不大于四阶的田谐项；(2.2)在步骤(2. 1)的条件下，以当前采样时刻、为参考时间，计算、对应的轨道平根数％，并将^o作为初始轨道参数；(2. 3)采用解析形式的低阶轨道摄动模型对参考时间、的轨道平根数％进行轨道外推，即轨道预报，得到任一时刻的轨道平根数。；(2. 4)将步骤(2. 3)中得到的所述任一时刻的轨道平根数。转换成轨道瞬时根数 σ j后，再转换成轨道系下的位置巧和速度，即为预报轨道点位数据；(2. 5)计算步骤(2. 4)中得到的位置巧对轨道瞬时根数σ彳的偏导数矩阵；(2. 6)将所述原始轨道点位和所述预报轨道点位之差作为右端项、将一个轨道周期内的所有采样时刻的偏导数矩阵作为系数矩阵，建立条件方程组，将条件方程组法化之后，采用基于最小二乘估计原理的高斯法求解线性观测方程组，得到轨道平根数的增量，所述线性观测方程组即为建立的条件方程组；(2. 7)根据步骤(2. 6)中得到的轨道平根数的增量，修正上一次的轨道平根数，完成轨道改进的一次迭代过程；之后按照步骤(2. (2.6)的过程继续迭代，直到原始轨道点位与预报轨道点位之间的残差收敛之后，得到轨道改进后的参考时间t。的轨道平根数
J0 C所述主星和副星运行在高度为300 1200km的轨道上。所述主星和副星之间的距离在0 150km的范围内。首先对相对位置长期预报误差的相关性的原理进行分析。基于轨道摄动模型的在轨长期预报方法主要分为积分法与分析法两种。积分法主要采用RK4方法和高精度的轨道摄动模型，其优点为可选取各种高精度的模型，且不受模型阶数影响，因而对单颗卫星位置预报精度比较高；但是计算量大，维持复杂，对计算设备要求也高，不利于在轨计算。针对单颗卫星位置预报精度，分析法满足在轨计算的设备要求，但其计算精度较低；然而当两颗卫星距离相近时，由于误差的相关性，在星间相对位置的计算中有较高的预报精度。下面用分析法来分析星间相对位置误差。分析法的原理是基于小参数幂级数解的方法，其摄动方程可表示为F = F0+Fe
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其中卞为卫星运动加速度，巧为卫星所受到的中心引力，巧为卫星所受到的摄动力。通过常数变易法处理，上式可转化为相应的摄动方程
权利要求
1.一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，所述卫星星座包括主星和副星，其特征在于步骤如下(1)通过主星和副星的GPS接收机分别实时获得主星和副星的原始轨道点位数据，所述原始轨道点位数据包括时间、位置和速度信息；(2)在主星和副星的原始轨道点位数据同时有效的条件下，对所述主星和副星的原始轨道点位数据进行等间隔采样，采样间隔在30s到90s之间；(3)当步骤O)中得到的主星和副星的采样数据积累的时间超过一个轨道周期时，以当前采样时刻为参考时间，同时对主星和副星累积的采样数据进行轨道改进，分别得到改进后的主星和副星的轨道平根数；(4)根据步骤(3)中得到的改进后的主星和副星的轨道平根数分别对主星和副星进行轨道预报并通过转换分别得到主星和副星的绝对位置；(5)将步骤中得到的主星和副星的绝对位置进行差分，得到主星和副星之间的相对位置，所述相对位置的模即为主星和副星之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，其特征在于所述步骤(3)中对主星和副星累积的采样数据进行轨道改进通过如下步骤进行(2. 1)解析形式的低阶轨道摄动模型采用地球重力场模型的二阶带谐项和不大于四阶的田谐项；(2.2)在步骤(2. 1)的条件下，以当前采样时刻、为参考时间，计算、对应的轨道平根数^o，并将％作为初始轨道参数；(2. 3)采用解析形式的低阶轨道摄动模型对参考时间、的轨道平根数丙进行轨道外推，即轨道预报，得到任一时刻的轨道平根数。；(2.4)将步骤(2. 中得到的所述任一时刻的轨道平根数。转换成轨道瞬时根数Qj 后，再转换成轨道系下的位置和速度，即为预报轨道点位数据；(2. 5)计算步骤(2. 4)中得到的位置巧对轨道瞬时根数σ彳的偏导数矩阵；(2. 6)将所述原始轨道点位和所述预报轨道点位之差作为右端项、将一个轨道周期内的所有采样时刻的偏导数矩阵作为系数矩阵，建立条件方程组，将条件方程组法化之后，采用基于最小二乘估计原理的高斯法求解线性观测方程组，得到轨道平根数的增量，所述线性观测方程组即为建立的条件方程组；(2.7)根据步骤(2.6)中得到的轨道平根数的增量，修正上一次的轨道平根数，完成轨道改进的一次迭代过程；之后按照步骤(2. 3) (2. 6)的过程继续迭代，直到原始轨道点位与预报轨道点位之间的残差收敛之后，得到轨道改进后的参考时间t。的轨道平根数式。
3.根据权利要求1所述的一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，其特征在于所述主星和副星运行在高度为300 1200km的轨道上。
4.根据权利要求1所述的一种卫星星座星间链路维持方法，其特征在于所述主星和副星之间的距离在0 150km的范围内。
全文摘要
一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，用于保持两颗卫星(主星和副星)的相对位置。该方法在副星上累积基于GPS测量的主星和副星的原始轨道点位数据，在完成数据累积后，使用解析形式的低阶轨道摄动模型对主星和副星在相同时间序列下的采样数据进行轨道改进，得到改进后的轨道平根数，再分别预报两颗卫星的位置，差分后得到卫星间相对位置。该方法主要应用于星间距离保持在100km左右的中低轨道星座的卫星中，长时间预报可达三天时间，三天中两星的绝对位置误差均可保持在800米以内、星间相对位置预报误差可保持在50米以内，能够满足航天任务中小卫星编队飞行的队形保持和星间数传天线的指向控制等领域的长时间不连续依赖于GPS的需求。
文档编号G01S19/21GK102230969SQ20111006935
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者刘峰, 陈霄 申请人:航天恒星科技有限公司