本发明涉及卫星编队相对导航
技术领域：
，特别涉及一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统和方法。
背景技术：
：微小卫星编队卫星间的相对导航是编队协同工作的基础，相对导航精度的高低决定了编队能达到的应用水平。基于差分GPS的相对导航系统是目前卫星编队导航的主要手段，具有代表性的应用包括：2002年发射的GRACE双星编队，地面事后处理的星间基线确定精度达到了mm级；2010年发射的PRISMA双星编队，GPS实时相对导航精度达到cm级，事后处理可以达到亚cm级；2014发射的加拿大CanX-4/CanX-5双星编队是由两颗仅重6.85kg的纳卫星组成，GPS相对导航精度优于10cm。然而单纯基于差分GPS(CDGPS)的编队导航技术存在一些突出的问题：(1)连续导航能力受限，编队卫星由于共视GPS卫星不足、编队任务中实施机动等原因造成无法获取足够多的GPS观测量，而仅依靠轨道动力学模型进行推算，1分钟后误差就已比较明显。(2)导航精度受限，地面事后处理已达到mm级的精度极限，而实时导航精度一般只能达到cm级。(3)导航实时性受限，编队初始化或观测数据中断再恢复后的重新初始化过程往往需要几十个历元。在编队中增加星间自主射频(RF)测量传感器获取星间测距数据，从而形成组合相对导航系统，是克服单纯基于差分GPS导航系统缺陷的有效途径。由于星间测量在编队内完成，信号连续性容易保证，将此传感器测量与GPS测量相结合，可明显提升连续导航能力和系统鲁棒性。同时，由于一般编队的星间距离相对较短(一般为数米到数百公里)，星间测量可以获得比GPS信号好得多的信噪比条件，测量精度提升空间很大，两种测量的组合可突破纯GPS导航系统的精度极限，而且由于单点测量的精度就可以达到较高水平，导航实时性可得到有效提高。而在RF传感器的应用方面，GRACE/GRAIL卫星编队的KBR(KBandRanging)系统可以达到μm级的星间自主测量精度，代表了目前无线电测量技术的最高水平。但KBR系统存在一些难以改进的问题，其本质上只是一种距离变化的测量方法，无法实时给出编队卫星间的相对距离数据，因此无法将KBR数据应用于辅助CDGPS相对导航，同时其系统复杂，难以应用在微小卫星上。技术实现要素：基于上述，本发明提供了一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统和方法，相对于仅仅应用差分GPS的相对导航系统，该相对导航系统和方法在导航精度、实时性、连续性上具有显著性的提高。一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统，包括GPS接收机模块、星间测距模块以及相对导航模块；星间测距模块兼具星间通信和测距功能，由主星RF传感器和从星RF传感器组成，接收和发送测距信号；GPS接收机模块由主星GPS接收机和从星GPS接收机组成，主星GPS接收机和从星GPS接收机工作于L1和L2频点，接收GPS导航卫星信号，获取观测数据、导航电文数据；主星GPS接收机获取的GPS观测数据、导航电文数据通过星内接口传送给实时定轨模块和组合导航模块。从星GPS接收机获取的GPS观测数据、导航电文数据通过星间测距模块传送给主星相对导航模块。相对导航模块由实时定轨模块、星间测距解算模块以及组合导航模块组成，所述的实时定轨模块，用于接收主星GPS接收机传送的GPS观测数据、导航电文数据，并使用扩展卡尔曼滤波方法实时解算出主星位置、速度数据并提供给组合导航模块；所述的星间测距解算模块，使用星间测距模块获取的星间测距伪码和载波相位观测数据通过卡尔曼滤波方法解算出星间相对距离数据，并传送给组合导航模块；所述的组合导航模块，根据实时定轨模块、星间测距解算模块分别提供的主星位置、速度数据和星间相对距离数据，通过扩展卡尔曼滤波方法实时解算出星间相对距离、速度数据。所述的RF传感器包括发射天线、接收天线、数据处理模块以及相应的信号输入、输出接口。RF传感器采用复合伪码结合双频双程转发测距体制，以获取星间测距伪码和载波相位观测量。所述星间测距模块具有星间通信功能以传送从星GPS接收数据。所述相对导航模块包括实时定轨模块、星间测距解算模块、组合导航模块。所述的实时定轨模块，用于接收主星GPS接收机传送的GPS观测数据、导航电文数据，并使用扩展卡尔曼滤波方法实时解算出主星位置、速度数据并提供给组合导航模块。所述的星间测距解算模块，使用星间测距模块获取的星间测距伪码和载波相位观测数据通过卡尔曼滤波方法解算出星间相对距离数据，并传送给组合导航模块。所述的组合导航模块，根据实时定轨模块、星间测距解算模块分别提供的主星位置、速度数据和星间相对距离数据，通过扩展卡尔曼滤波方法实时解算出星间相对距离、速度数据。一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统的相对导航方法，包括如下步骤：步骤1，星间测距模块中主星RF传感器向从星RF传感器发射星间测距信号，从星RF传感器按固定转发比转发接收到的测距信号，主星RF传感器接收从星RF传感器转发的测距信号，并提取星间测距伪码和载波相位观测量；步骤2，GPS接收机模块中从星GPS接收机接收GPS信号获取GPS伪距和载波相位观测量，并通过星间测距环路发送给主星，主星GPS接收机接收GPS信号获取GPS伪距、载波相位观测量以及GPS导航电文；步骤3，主星根据步骤1中得到的星间测距伪距和载波相位观测量，通过星间测距解算模块以卡尔曼滤波方法解算出编队卫星相对距离数据，并传送至组合导航模块；步骤4，主星根据步骤2中主星GPS接收机得到的GPS伪距、载波相位观测量以及GPS导航电文，通过实时定轨模块以扩展卡尔曼滤波方法解算出主星绝对位置和主星速度数据，并传送至组合导航模块；步骤5，主星根据编队卫星相对距离数据、GPS伪距、载波相位观测量以及GPS导航电文、主星绝对位置以及主星速度数据，通过组合导航模块以扩展卡尔曼滤波方法解算得编队卫星间相对位置和编队卫星速度数据。在步骤1中，所述的测距信号由复合伪码调相S/C波段双频载波组成，而复合伪码由多个子测距码组合而成；从星端对复合伪码的处理方式采用再生伪码和转发伪码两种，高信噪比时采用转发伪码方式，低信噪比时采用再生伪码方式。在步骤2中，主星和从星采用相同的双频GPS接收机。本发明还提供了一种针对基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航的系统和方法性能进行分析和评价的方法：进行对比分析和评价该相对导航系统与方法性能的数据来源分为两种，一种是GRACE卫星编队GPS和星间测距在轨数据，另一种是GPS模拟器仿真数据。(1)利用GRACE卫星编队GPS和星间测距在轨数据进行对比分析该相对导航系统和方法的性能根据步骤1～4进行仿真验证，GPS数据使用GRACE卫星编队的在轨GPS观测数据和广播星历数据，星间测距数据由在轨KBR数据加噪声得到，KBR数据所加噪声为高斯白噪声，用于模拟星间测距数据的误差，由于KBR数据中存在着一个固定的模糊度(载波相位未发生周跳)，采用下述公式求解出KBR数据中固定模糊度BKBR，BKBR=1nΣi=1n[LKBR(ti)-ρAB(ti)-Δant(ti)-Δcτ(ti)]]]>其中ρAB(ti)为星间距离，由主从星精密轨道数据做差求得，LKBR(ti)为KBR观测量，Δant(ti)为天线相位中心修正量,Δcτ(ti)为光时间修正量；在固定模糊度解算后，将KBR数据作为基准，用于验证组合相对导航系统精度。(2)利用GPS模拟器仿真数据进行对比分析该相对导航系统和方法的性能GPS模拟器采用思博伦GNSS信号模拟器GSS9000，通过分时工作的方式产生两颗卫星的GPS广播数据和卫星轨道数据。两颗卫星运行于约530km高度近圆轨道，通过控制两颗卫星间真近点角之差来获得不同星间距离的仿真场景。而通过两颗卫星轨道数据做差即可得到真实星间距离数据，用于组合相对导航系统精度验证。根据步骤1～步骤2进行仿真验证，GPS数据使用GPS模拟器采集的观测数据和广播星历数据，星间测距数据由真实星间距离数据加噪声得到，所加噪声为高斯白噪声，用于模拟星间测距数据的误差。本发明具有的优点如下：(1)星间测距采用复合伪码结合双频双程转发测距体制，能够获得高精度星间距离数据；采用S/C双频载波可有效消除电离层的影响，提高载波测距精度；对于接收到的主星发送的复合伪码，从星采用再生伪码和转发伪码两种处理方式，可有效工作于短基线和长基线模式。(2)采用星间测距辅助CDGPS的组合相对导航方法，相对单纯基于CDGPS的相对导航方法，该相对导航方法在导航精度、系统连续性、实时性性能上有显著提升，也可加快整周模糊度的求解，并提高整周模糊度的求解成功率。附图说明图1为本发明的系统结构图具体实施方式现结合具体实施例和附图对本发明方法进行详细说明。一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统由以下三个模块组成:(1)GPS接收机模块所述GPS接收机模块由安装于主星A的GPS接收机1和安装于从星B的GPS接收机2组成；GPS接收机1获取的GPS观测数据、导航电文数据通过星内接口传送给实时定轨模块和组合导航模块；GPS接收机2获取的GPS观测数据、导航电文数据通过星内接口传送给RF传感器2，并通过星B间测距模块由星间链路传送给主星A。(2)星间测距模块所述星间测距模块由安装于主星和从星的两个RF传感器1和RF传感器2组成，RF传感器包括发射天线、接收天线、数据处理模块以及相应的信号输入、输出接口。(3)相对导航模块所述相对导航模块由实时定轨模块、星间测距解算模块、组合导航模块组成。实时定轨模块，用于接收GPS接收机1传送的GPS观测、导航电文数据，并使用扩展卡尔曼滤波方法实时解算出主星位置rA、速度vA数据并提供给组合导航模块。星间测距解算模块，使用星间测距模块获取的星间测距伪码和载波相位观测数据通过卡尔曼滤波方法解算出星间相对距离数据rAB，并传送给组合导航模块。组合导航模块，根据实时定轨模块、星间测距解算模块分别提供的主星位置rA、速度vA数据和星间相对距离数据rAB，通过扩展卡尔曼滤波方法实时解算出星间相对距离、速度数据。结合附图1，一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航方法具体包括如下步骤：步骤1，星间测距模块中RF传感器1向从星B发射星间测距信号，从星B的RF传感器2接收到主星A测距信号后，按固定转发比转发接收到的测距信号，主星A从接收到的从星B转发的测距信号中提取伪码和载波相位观测量。步骤2，GPS接收机模块中，GPS接收机2接收GPS导航星信号获取GPS伪距、载波相位观测量，并通过星间测距环路发送给主星A；GPS接收机1接收GPS信号获取GPS伪距、载波观测量以及GPS导航电文并通过星内接口传送给实时定轨模块和组合导航模块。步骤3，主星A根据步骤2中GPS接收机1接收的伪距、载波相位观测量和GPS导航电文通过实时定轨模块以扩展卡尔曼滤波方法解算出主星当前时刻绝对位置rA、速度vA数据，并传送给组合导航模块；主星A根据步骤1中星间测距伪距和载波相位观测量通过星间测距解算模块以卡尔曼滤波方法解算出编队卫星相对距离数据rAB，并传送给组合导航模块。步骤4，主星根据3中解算出的主星绝对位置rA、速度vA数据，星间测距解算模块解算出的编队卫星相对距离数据rAB，及步骤2中获得的主从星GPS伪距、载波相位观测量和导航电文，通过组合导航模块以扩展卡尔曼滤波方法解算得编队卫星间相对位置、速度数据。在步骤4中，所述的扩展卡尔曼滤波方法，如下述公式，其测量更新的观测量Zi由GPS双差(DD)观测量Zi,GPS和星间测距观测量Zi,ISRS组成,即：Zi=Zi,GPSZi,ISRS=P1AB12P1AB13...P1AB1mP2AB12P2AB13...P2AB1mφ1AB12φ1AB13...φ1AB1mφ2AB12φ2AB13...φ2AB1mZi,ISRS]]>其中，为A、B星L1频点下双差伪码观测量，为A、B星L2频点下双差伪码观测量，为A、B星L1频点下双差载波相位观测量，为A、B星L2频点下双差载波相位观测量。与观测量Zi相对应的测量更新中雅克比矩阵H为：Hi=∂h∂rAB∂h∂vAB∂h∂IAB∂h∂BAB=-DS,DE0-1λ1·10-DS,DE0-f12f22·10λ2·1-DS,DE0100-DS,DE0f12f22·100E0000]]>其中，为惯性系下主星指向从星的视线单位矢量，DS,D为单差观测量和双差观测量间的转换矩阵。本发明基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统和方法使用两种数据来源针对系统精度、实时性、连续性方面的性能分别进行分析和评价。a、利用GRACE卫星编队在轨数据进行分析和评价，具体步骤如下：步骤a-1，数据处理，获取GRACE卫星编队GPS观测数据、广播星历数据、KBR数据。由于KBR数据中存在着一个固定的模糊度(载波相位未发生周跳时)，采用下述公式求解出KBR数据中固定模糊度，BKBR=1nΣi=1n[LKBR(ti)-ρAB(ti)-Δant(ti)-Δcτ(ti)]]]>其中ρAB(ti)为星间距离，由主从星精密轨道数据做差求得，LKBR(ti)为KBR观测量，Δant(ti)为天线相位中心修正量,Δcτ(ti)为光时间修正量。模糊度求解后，在KBR数据添加高斯白噪声构成星间测距数据以模拟星间测距数据的误差，同时将KBR数据作为基准，用于验证组合相对导航系统精度。步骤a-2，仿真解算，根据基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航方法的步骤进行仿真，GPS数据、星间测距数据使用步骤a-1获取的GPS数据和处理后的星间测距数据。步骤a-3，精度性能结果分析，将步骤a-2解算出的星间距离数据和步骤a-1获取的解模糊后的KBR数据作差，求出星间距离误差，并通过下式求出系统均方差精度。最后，将获得的均方差精度数据与单纯基于差分GPS的相对导航系统均方差精度数据做对比。σ=Σi=1n(ri-ri,KBR)2n]]>步骤a-4，再次运行步骤a-1与步骤a-2，其中步骤a-1和(2)中使用的GPS数据删除了一段时间(例如1个小时)内数据，模拟GPS信号在该时间段内中断的场景。步骤a-5，连续性性能结果分析，将步骤a-4解算出的星间距离数据和步骤a-1获取的解模糊后的KBR数据作差，求出星间距离误差，并通过步骤a-3中公式求出系统均方差精度。最后将获得的中断区间相对距离误差和均方差精度数据与单纯基于差分GPS的相对导航系统在GPS信号中断时的相对距离误差和均方差精度数据做对比。步骤a-6，再次运行步骤a-1与步骤a-2，其中步骤a-1和(2)中只有前5个历元的星间测距数据参与了解算，模拟星间测距数据辅助GPS相对导航系统初始化的场景。步骤a-7，实时性性能结果分析，将步骤a-6解算出的星间距离数据和步骤a-1获取的解模糊后的KBR数据作差，求出星间距离误差，并确定系统初始化的收敛时间，其中收敛时间为星间距离误差收敛到3σ区间内(σ为步骤a-3获取的系统均方差精度)的时间。最后将确定的系统初始化收敛时间与单纯基于差分GPS的相对导航系统初始化收敛时间做对比。b、利用GPS模拟器仿真数据进行分析和评价,具体步骤如下：步骤b-1，数据处理，GPS模拟器通过分时工作的方式产生两颗卫星的GPS广播数据和卫星轨道数据。两颗卫星运行于约530km高度近圆轨道，通过控制两颗卫星间真近点角之差来获得不同星间距离的仿真场景。而通过两颗卫星轨道数据作差即可得到真实星间距离数据，用于组合相对导航系统精度验证。真实星间距离添加高斯白噪声构成仿真用星间测距数据。步骤b-2，仿真解算，根据基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航方法的步骤进行仿真，GPS数据、星间测距数据使用步骤b-1获取的GPS数据和处理后的星间测距数据。步骤b-3，精度性能结果分析，将步骤b-2解算出的星间距离数据和步骤b-1获取的真实星间测距数据作差，求出星间距离误差，并通过下式求出系统均方差精度。最后，将获得的均方差精度数据与单纯基于差分GPS的相对导航系统均方差精度数据做对比。σ=Σi=1n(ri-ri,simulator)2n]]>步骤b-4，再次运行步骤b-1与b-2，其中步骤b-1和b-2中使用的GPS数据删除了一段时间(例如1个小时)内数据，模拟GPS信号在该时间段内中断的场景。步骤b-5，连续性性能结果分析，将步骤b-4,解算出的星间距离数据和步骤b-1获取的真实星间测距数据作差，求出星间距离误差，并通过步骤b-3中公式求出系统均方差精度。最后将获得的中断区间相对距离误差和均方差精度数据与单纯基于差分GPS的相对导航系统在GPS信号中断时的相对距离误差和均方差精度数据做对比。步骤b-6，再次运行步骤b-1与b-2，其中步骤b-1和b-2中只有前5个历元的星间测距数据参与了解算，模拟星间测距数据辅助GPS相对导航系统初始化的场景。步骤b-7，实时性性能结果分析，将步骤b-6解算出的星间距离数据和步骤b-1获取的真实星间测距数据作差，求出星间距离误差，并确定系统初始化的收敛时间，其中收敛时间为星间距离误差收敛到3σ区间内(σ为步骤b-3获取的系统均方差精度)的时间。最后将确定的系统初始化收敛时间与单纯基于差分GPS的相对导航系统初始化收敛时间做对比。本发明一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统和方法，适用于星间距离在0～30Km的星间编队，相对于单纯基于差分GPS的相对导航系统，实时相对导航精度优于1mm；系统在GPS信号中断时仍可连续输出满足要求的相对位置、速度数据；系统初始化时间由GPS差分相对导航系统的几十个历元降低到单点。当前第1页1 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