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一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法

阅读:781发布:2020-05-08

专利汇可以提供一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于低轨星基锚固的北斗导航 星座 自主定轨方法:通过北斗星间链路进行星间双向伪距观测,并将北斗星间双向观测量信息、本星在地心惯性 坐标系 下的先验 位置 和速度信息,通过星间链路发送至相邻北斗导航卫星;接收低轨卫星发送的北斗下行观测量信息以及低轨卫星自主定轨数据;对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行误差修正,消除收发设备误差和链路误差;将修正后的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距、北斗卫星与低轨卫星之间的伪距统一到同一时刻,并解耦北斗星间双向观测信息中的星间距离和相对钟差,将低轨卫星伪距、北斗星间距离和相对钟差作为观测量,采用 扩展卡 尔曼滤波方法,计算北斗卫星的位置、速度和钟差。,下面是一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法专利的具体信息内容。

1.一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于北斗导航卫星执行如下步骤:
(1)、通过北斗星间链路进行星间双向伪距观测,并将北斗星间双向观测量信息、本星在地心惯性坐标系下的先验位置和速度信息,通过星间链路发送至相邻北斗导航卫星;所述北斗星间双向观测量信息为北斗双星之间的伪距;
(2)、接收低轨卫星发送的北斗下行观测量信息以及低轨卫星自主定轨数据;所述低轨卫星自主定轨数据包括低轨卫星在地心惯性坐标系下的位置和速度;所述北斗下行观测量信息为低轨卫星接收北斗下行导航信号时得到的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距;
(3)、对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行误差修正,消除收发设备误差和链路误差;
(4)、通过历元归算,将修正后的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距、北斗卫星与低轨卫星之间的伪距统一到同一时刻,并解耦北斗星间双向观测信息中的星间距离和相对钟差,将归算后的低轨卫星伪距、北斗星间距离、北斗星间相对钟差作为观测量,北斗导航卫星在地心惯性坐标系下的位置、速度和钟差作为系统状态量,通过轨道动学模型建立系统函数,采用数值积分方法完成系统状态量在地心惯性系下的递推,作为系统状态量先验估计,通过系统函数对系统状态量求偏微分生成系统矩阵;通过北斗导航卫星和低轨卫星的空间几何分布生成观测矩阵,采用扩展卡尔曼滤波方法进行不断地迭代更新,得到北斗卫星的位置、速度和钟差。
2.根据权利要求1所述的种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于:所述步骤(3)包括如下子步骤:
(3.1)、对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行设备时延误差校正,消除伪距中包含的收发设备时延引入的误差;
(3.2)、根据北斗卫星姿态信息和星间链路收发天线及下行信号发射天线的天线相位中心偏移参数,计算得到天线相位中心校正量,对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行天线相位中心修正,得到北斗双星质心之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星天线质心之间的伪距;(3.3)、判断北斗星间观测是否为过电离层观测,舍弃穿过电离层的伪距,将剩下的北斗双星天线相位中心之间的伪距作为修正后的北斗双星之间的伪距;
(3.4)、对于北斗卫星与低轨卫星天线相位中心之间的伪距进行双频电离层修正,得到消除了电离层误差的北斗卫星与低轨卫星天线相位中心之间的伪距,作为修正后的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距。
3.根据权利要求1所述的种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于:所述低轨卫星通过接收和处理泛在的外源导航信号完成星上自主定轨,以获取低轨卫星自主定轨数据。
4.根据权利要求1所述的种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于:所述泛在的外源导航信号包括GPS卫星导航信号、GALILEO卫星导航信号、GLONASS卫星导航信号、QZSS卫星导航信号、QZSS导航系统L6频点增强信号、GALILEO导航系统L6频点增强信号、OmniSTAR导航系统L频段增强信号、StarFire导航系统L频段增强信号或全球精度L频段增强信号。
5.根据权利要求1所述的种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于所述低轨卫星是指飞行高度在2000公里以下的人造卫星
6.根据权利要求1所述的种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于所述轨道动力学模型表示为:
a(r,t)=ag(r,t)+as(r,t)+am(r,t)+asrp(r,t)
其中,a(r,t)表示北斗导航卫星受到的轨道摄动引起的加速度,r表示北斗卫星的位置,t表示时间,ag(r,t)表示北斗导航卫星受到的地球重力场引起的加速度,as(r,t)表示北斗导航卫星受到的太阳引起的加速度,am(r,t)表示北斗导航卫星受到的月亮引起的加速度,asrp(r,t)表示北斗导航卫星受到的太阳光压引起的加速度。
7.根据权利要求1所述的种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于所述的北斗A星发-北斗B星收时星间伪距ρAB对应的设备时延校正量 北斗B星发-北斗A星收时星间伪距ρBA对应的设备时延校正量 和北斗A星发-低轨a星收时低轨卫星伪距ρAa对应的设备时延校正量 (北斗分别计算如下:
其中, 是A星发送设备延迟; 为B星接收设备延迟; 星接收设备延迟; 星发送设备延迟; 低轨卫星a接收设备延迟。这些设备收发时延可通过出厂前标定获取。
8.根据权利要求1所述的一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于所述天线相位中心校正量 和 分别计算如下:
其中,T为卫星本体坐标系到地心惯性坐标系的转移矩阵,卫星姿态信息由卫星平台姿态控制系统实时提供, 和 分别为北斗导航卫星
星间发射天线、星间接收天线、下行发射天线和低轨卫星接收天线在各卫星本体坐标系下的天线相位中心偏移参数;rA、rB和ra分别为北斗导航卫星A,B和低轨卫星a在地心惯性坐标系的位置矢量。
9.根据权利要求1所述的一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于所述步骤(3.3)中判断北斗星间双星伪距观测是否为过电离层观测的具体方法为:
判断北斗导航卫星A和B的连线以及北斗导航卫星B和地球质心连线构成的夹∠β是否大于过北斗导航卫星B的地球电离层切线以及北斗导航卫星B和地球质心连线构成的夹角∠α,若大于,则该星间双星伪距观测为非过电离层观测,否则,该星间双星伪距观测为过电离层观测;
其中,Riono表示电离层的半径;rA、rB和ra分别为北斗导航卫星A、B在地心惯性坐标系的位置矢量。
10.根据权利要求1所述的一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,其特征在于所述消除了电离层影响之后的伪距Piono-free为:
其中:P1和P2分别表示双频导航信号对应的伪距观测值,f1、f2分别为双频导航信号的第一载波频率和第二载波频率

说明书全文

一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法

技术领域

[0001] 本发明涉及导航星座自主定轨技术领域,具体涉及一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法。

背景技术

[0002] 目前北斗导航星座自主定轨采用两种方法:1.基于地面锚固站的自主定轨,地面运控站或地面流动站对北斗星座进行锚固,其作为坐标已知的“伪卫星”与导航星座其他卫星完成Ka频段双向精密测量、时间同步,利用其先验坐标使北斗星座和地球建立联系;2.导航星座完全自主定轨,仅依靠导航星座内部中-高轨和中-中轨高精度星间测量链路作为观测,完成星座自主定轨。第一种方法无法彻底切断北斗星座与地面的关联,在地面锚固设施不可用时,存在安全险;第二种方法由于缺乏地球基准信息,长时间自主定轨存在导航星座轨道和时间发散现象。
[0003] 在战争条件下,导航星座自主定轨能是保障卫星导航系统不依赖地面,提升导航星座系统安全和抗摧毁性的重要手段。然而在缺乏北斗地面系统锚固的情况下,北斗导航星座长期自主定轨面临着服务精度发散和下降的现象。北斗自主定轨60天的URE指标为3米。若自主定轨时间进一步拉长,会导致URE急剧增大,从而使北斗卫星导航系统难以提供高精度定位和授时服务。
[0004] 文献1:专利:《一种导航卫星星座自主定轨方法》,专利号:CN104048664A,属于卫星自主定轨领域,涉及一种导航卫星星座自主定轨的方法。其包括如下步骤:(1):自主定轨开始,系统初始化;(2):获取卫星之间的星间测距;(3):计算星间测距的观测矩阵;(4):利用轨道动力学模型进行轨道预报;(5):利用卡尔曼滤波算法分别进行量测更新和状态估计;(6):判断自主定轨是否结束,若未结束,则再次运行步骤(2)~步骤(6);反之,则结束退出自主定轨程序。该方法具有以下优点:1、可以解决导航星座仅利用星间测距进行自主定轨时的秩亏问题;2、长期自主定轨精度较高。
[0005] 文献2:专利:《基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航系统与方法》,专利号:CN101038169A。基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航系统包括:X射线探测器、星载原子时钟组、太阳系行星参数数据库、X射线脉冲星模型及特征参数数据库、星载计算机、捷联惯性导航系统SINS和自主导航算法模库;自主导航方法利用脉冲星辐射的X射线光子作为外部信息输入,提取脉冲到达时间TOA和位置信息,通过自主导航滤波器进行数据处理,实时获取导航卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数,自主生成导航电文和控制指令,实现导航星座自主定轨。该方法具有能够为导航卫星提供长时间高精度自主导航的优点,提高导航卫星自主导航信息处理的容错能力,适用于近地轨道、深空和行星际飞行航天器及无稠密大气天体着陆器及其表面巡游器的高精度自主导航。
[0006] 文献3:专利:《一种基于星间测距的地球-Lagrange联合星座自主定轨方法》(专利号:CN107421550A)公开了一种基于星间测距的地球-Lagrange联合星座自主定轨方法,包括以下几个步骤:步骤一:建立地球-Lagrange联合星座自主定轨系统的状态方程;步骤二:建立地球-Lagrange联合星座自主定轨系统的测量方程;步骤三:确定实现轨道参数估计的滤波方法;步骤四:基于选定滤波算法的地球-Lagrange联合星座自主定轨方法的具体实现。该方法通过引入Lagrange卫星,有效解决了仅利用星间测距信息进行自主定轨时存在的“亏秩”问题,减轻了系统设备的复杂性;通过自适应非线性滤波算法在线实时估计系统噪声的统计特性,对噪声先验信息要求较低,提高了自主定轨滤波算法的稳定性,提高了自主定轨精度。
[0007] 文献4:论文:《基于星间测距和地面发射源的导航星座整网自主定轨》。导航卫星星座自主定轨技术是我国新一代卫星导航系统的关键技术之一.但是仅仅依靠星间相互测距定轨会因缺少地面基准而出现基准秩亏现象.针对这个问题,提出利用少量地面发射源随机工作的方式提供地面基准,将星间测距和地面发射源信息融合起来进行星座整网定轨,进一步提高定轨精度.最后利用仿真实验对该方法的合理有效性进行了验证。
[0008] 文献1与文献3介绍了利用拉格朗日点卫星特殊的轨道特性解决导航星座自主定轨时基准缺失的问题,文献2介绍了通过脉冲星观测为导航星座提供外部基准的方法,文献4介绍了使用地面锚固站使导航星座和地球建立联系的方法。其中,文献1和文献3介绍的方法需要地月拉格朗日点人造卫星的支持,工程代价很大;文献2介绍的方法自主导航精度较差,文献4介绍的方法属于导航星座半自主定轨方法,没有脱离地面的支持。

发明内容

[0009] 本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提出一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,利用低轨卫星作为星基锚固站来支持导航卫星自主定轨。
[0010] 本发明解决技术的方案是:一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法,北斗导航卫星执行如下步骤:
[0011] (1)、通过北斗星间链路进行星间双向伪距观测,并将北斗星间双向观测量信息、本星在地心惯性坐标系下的先验位置和速度信息,通过星间链路发送至相邻北斗导航卫星;所述北斗星间双向观测量信息为北斗双星之间的伪距;
[0012] (2)、接收低轨卫星发送的北斗下行观测量信息以及低轨卫星自主定轨数据;所述低轨卫星自主定轨数据包括低轨卫星在地心惯性坐标系下的位置和速度;所述北斗下行观测量信息为低轨卫星接收北斗下行导航信号时得到的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距;
[0013] (3)、对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行误差修正,消除收发设备误差和链路误差;
[0014] (4)、通过历元归算,将修正后的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距、北斗卫星与低轨卫星之间的伪距统一到同一时刻,并解耦北斗星间双向观测信息中的星间距离和相对钟差,将归算后的低轨卫星伪距、北斗星间距离、北斗星间相对钟差作为观测量,北斗导航卫星在地心惯性坐标系下的位置、速度和钟差作为系统状态量,通过轨道动力学模型建立系统函数,采用数值积分方法完成系统状态量在地心惯性系下的递推,作为系统状态量先验估计,通过系统函数对系统状态量求偏微分生成系统矩阵;通过北斗导航卫星和低轨卫星的空间几何分布生成观测矩阵,采用扩展卡尔曼滤波方法进行不断地迭代更新,得到北斗卫星的位置、速度和钟差。
[0015] 所述步骤(3)包括如下子步骤:
[0016] (3.1)、对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行设备时延误差校正,消除伪距中包含的收发设备时延引入的误差;
[0017] (3.2)、根据北斗卫星姿态信息和星间链路收发天线及下行信号发射天线的天线相位中心偏移参数,计算得到天线相位中心校正量,对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行天线相位中心修正,得到北斗双星质心之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星天线质心之间的伪距;(3.3)、判断北斗星间观测是否为过电离层观测,舍弃穿过电离层的伪距,将剩下的北斗双星天线相位中心之间的伪距作为修正后的北斗双星之间的伪距;
[0018] (3.4)、对于北斗卫星与低轨卫星天线相位中心之间的伪距进行双频电离层修正,得到消除了电离层误差的北斗卫星与低轨卫星天线相位中心之间的伪距,作为修正后的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距。
[0019] 所述低轨卫星通过接收和处理泛在的外源导航信号完成星上自主定轨,以获取低轨卫星自主定轨数据。
[0020] 所述泛在的外源导航信号包括GPS卫星导航信号、GALILEO卫星导航信号、GLONASS卫星导航信号、QZSS卫星导航信号、QZSS导航系统L6频点增强信号、GALILEO导航系统L6频点增强信号、OmniSTAR导航系统L频段增强信号、StarFire导航系统L频段增强信号或全球精度L频段增强信号。
[0021] 所述低轨卫星是指飞行高度在2000公里以下的人造卫星。
[0022] 所述轨道动力学模型表示为:
[0023] a(r,t)=ag(r,t)+as(r,t)+am(r,t)+asrp(r,t)
[0024] 其中,a(r,t)表示北斗导航卫星受到的轨道摄动引起的加速度,r表示北斗卫星的位置,t表示时间,ag(r,t)表示北斗导航卫星受到的地球重力场引起的加速度,as(r,t)表示北斗导航卫星受到的太阳引起的加速度,am(r,t)表示北斗导航卫星受到的月亮引起的加速度,asrp(r,t)表示北斗导航卫星受到的太阳光压引起的加速度。
[0025] 所述的北斗A星发-北斗B星收时星间伪距ρAB对应的设备时延校正量北斗B星发-北斗A星收时星间伪距ρBA对应的设备时延校正量 和北斗A星发-低轨a星收时低轨卫星伪距ρAa对应的设备时延校正量 (北斗分别计算如下:
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 其中, 是A星发送设备延迟; 为B星接收设备延迟; A星接收设备延迟; B星发送设备延迟; 低轨卫星a接收设备延迟。这些设备收发时延可通过出厂前标定获取。
[0030] 所述天线相位中心校正量 和 分别计算如下:
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 其中,T为卫星本体坐标系到地心惯性坐标系的转移矩阵,卫星姿态信息由卫星平台姿态控制系统实时提供, 和 分别为北斗导航卫星星间发射天线、星间接收天线、下行发射天线和低轨卫星接收天线在各卫星本体坐标系下的天线相位中心偏移参数;rA、rB和ra分别为北斗导航卫星A,B和低轨卫星a在地心惯性坐标系的位置矢量。
[0035] 所述步骤(3.3)中判断北斗星间双星伪距观测是否为过电离层观测的具体方法为:
[0036] 判断北斗导航卫星A和B的连线以及北斗导航卫星B和地球质心连线构成的夹角∠β是否大于过北斗导航卫星B的地球电离层切线以及北斗导航卫星B和地球质心连线构成的夹角∠α,若大于,则该星间双星伪距观测为非过电离层观测,否则,该星间双星伪距观测为过电离层观测;
[0037]
[0038]
[0039] 其中,Riono表示电离层的半径;rA、rB和ra分别为北斗导航卫星A、B在地心惯性坐标系的位置矢量。
[0040] 所述消除了电离层影响之后的伪距Piono-free为:
[0041]
[0042] 其中:P1和P2分别表示双频导航信号对应的伪距观测值,f1、f2分别为双频导航信号的第一载波频率和第二载波频率
[0043] 本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0044] (1)、本发明利用全球覆盖、移动快速、成本低廉的低轨移动星座作为星基锚固站,对北斗导航星座在自主定轨模式下提供外部空间基准,抑制星座自主定轨时轨道精度随时间而发散的现象,保证长期高精度自主定轨。
[0045] (2)、本发明通过北斗导航卫星和低轨卫星的空间几何分布生成观测矩阵,与单独使用北斗导航卫星星间观测进行自主定轨相比,可增强观测的几何强度以及几何关系的变化速度,从而进一步提升自主定轨的精度。
[0046] (3)、低轨导航增强星座是我国下一代PNT体系重点发展核心内容,可利用该星座的低轨GNSS监测功能和中低轨星间链路功能完成低轨观测信息/定轨结果的生成和传送,本发明对现有基于北斗星间双向观测的自主定轨方法进行适应性升级,即可实现,具有较好工程可实现性。
[0047] (4)、本发明由于采用低轨卫星作为北斗导航星座的星基锚固站,实现了北斗导航卫星在脱离地面支持情况下进行长期高精度自主定轨,相比现有技术中的仅使用北斗星间观测进行自主定轨方法,低轨卫星的引入为导航卫星提供了外部时空基准,削弱了导航卫星自主定轨长期发散的现象,同时丰富的观测量提升了自主定轨的精度。附图说明
[0048] 图1为本发明实施例基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法;
[0049] 图2为本发明实施例基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法处理流程图
[0050] 图3为本发明实施例北斗星间测量链路过电离层检查示意图。

具体实施方式

[0051] 下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
[0052] 本文提出一种基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法。其主要思路为:利用全球覆盖、移动快速、成本低廉的低轨移动星座作为星基锚固站,对北斗导航星座在自主定轨模式下提供外部空间基准,抑制星座自主定轨时轨道精度随时间而发散的现象,保证长期高精度自主定轨。其中,所述低轨卫星是指飞行高度在2000公里以下的人造卫星。它通过接收和处理泛在的外源导航信号完成星上自主定轨,以获取自身坐标和时间信息;与此同时,低轨卫星监测和接收北斗星座中高轨卫星播发的导航信号,再将北斗观测量、自身坐标和时间信息组并通过低-高轨通信链路发送至北斗导航卫星。北斗导航星座通过星间链路完成星间双向测量,每颗北斗导航卫星使用相邻星间双向观测量进行分布式星座自主定轨,并且当低轨卫星的测量信息有效时,在自主定轨的观测模型中引入低轨卫星观测量,以期借助低轨卫星的空间基准消除和削弱北斗星座自主定轨时由于基准缺失而引起的整体旋转问题。基于低轨星基锚固的北斗导航星座自主定轨方法如图1所示。
[0053] 本文提出的导航星座自主定轨方法,包含了北斗导航卫星和低轨卫星星上处理两个部分,数据处理流程如图2所示。
[0054] 其中,北斗导航卫星进行分布式自主定轨,每颗北斗导航卫星分别处理与邻近导航卫星的北斗星间双向观测量信息和与其相关的低轨卫星发送的北斗下行观测量信息,利用星载扩展卡尔曼滤波器完成本星位置和时间估计;低轨卫星对北斗导航进行观测以及通过外源信号进行自主定轨。
[0055] 一、北斗导航卫星星上处理
[0056] (1)、通过北斗星间链路进行星间双向伪距观测,并将北斗星间双向观测量信息、本星在地心惯性坐标系下的先验位置和速度信息,通过星间链路发送至相邻北斗导航卫星;所述北斗星间双向观测量信息包括北斗双星之间的伪距;
[0057] (2)、接收低轨卫星发送的北斗下行观测量信息以及低轨卫星自主定轨数据;所述低轨卫星自主定轨数据包括低轨卫星在地心惯性坐标系下的位置和速度;所述北斗下行观测量信息为低轨卫星接收北斗下行导航信号时得到的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距;
[0058] (3)、对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行误差修正,消除收发设备误差和链路误差;
[0059] 所述步骤(3)包括如下子步骤:
[0060] (3.1)、对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行设备时延误差校正,消除伪距中包含的收发设备时延引入的误差;
[0061] 原始距离观测量中包含了星间收发设备时延引入的误差,此部分误差可以提前在地面标定,在轨计算时直接从观测量中加上即可。所述的北斗A星发-北斗B星收时星间伪距ρAB对应的设备时延校正量 北斗B星发-北斗A星收时星间伪距ρBA对应的设备时延校正量 和北斗A星发-低轨a星收时低轨卫星伪距ρAa对应的设备时延校正量(北斗分别计算如下:
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 其中, 是A星发送设备延迟; 为B星接收设备延迟; A星接收设备延迟;B星发送设备延迟; 低轨卫星a接收设备延迟。这些设备收发时延可通过出厂前标定获取。
[0066] (3.2)、根据北斗卫星姿态信息和星间链路收发天线及下行信号发射天线的天线相位中心偏移参数,计算得到天线相位中心校正量,对北斗双星之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星之间的伪距进行天线相位中心修正,得到北斗双星质心之间的伪距和北斗卫星与低轨卫星天线质心之间的伪距;
[0067] 北斗导航卫星系统星座自主定轨需要确定卫星质心坐标,但是北斗星间观测和低轨测量得到的是相对于收发天线相位中心的距离,因此需要进行相位中心校正处理。
[0068] 所述天线相位中心校正量 和 分别计算如下:
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 其中,T为卫星本体坐标系到地心惯性坐标系的转移矩阵,由北斗卫星平台的姿态信息得到,卫星姿态信息由卫星平台姿态控制系统实时提供,和 分别为北斗导航卫星星间发射天线、星间接收天线、下行发射天线和低轨卫星接收天线在各卫星本体坐标系下的天线相位中心偏移参数,通过出厂前标定获取;rA、rB和ra分别为北斗导航卫星A,B和低轨卫星a在地心惯性坐标系的位置矢量,可使用先验轨道位置进行计算。
[0073] (3.3)、判断北斗星间观测是否为过电离层观测,舍弃穿过电离层的伪距,将剩下的北斗双星天线相位中心之间的伪距作为修正后的北斗双星之间的伪距;
[0074] 微波测距信号通过电离层时,会受到附加延迟影响。对于北斗星间观测,需要进行过电离层检查,对于通过电离层的观测,丢弃不用。
[0075] 判断北斗星间双星伪距观测是否为过电离层观测的具体方法如图3所示:
[0076] ∠β为北斗导航卫星A和B的连线以及北斗导航卫星B和地球质心连线构成的夹角,∠α为过北斗导航卫星B的地球电离层切线以及北斗导航卫星B和地球质心连线构成的夹角,如果∠β大于∠α,则该星间双星伪距观测为非过电离层观测,否则,该星间双星伪距观测为过电离层观测;
[0077]
[0078]
[0079] 其中,Riono表示电离层的半径,通常取地球半径+1000公里;rA、rB和ra分别为北斗导航卫星A、B在地心惯性坐标系的位置矢量。
[0080] (3.4)、对于北斗卫星与低轨卫星天线相位中心之间的伪距进行双频电离层修正,得到消除了电离层误差的北斗卫星与低轨卫星天线相位中心之间的伪距,作为修正后的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距。
[0081] 对于低轨卫星观测,由于其处于电离层覆盖范围,对于所有观测皆进行双频电离层修正。消除了电离层影响之后的伪距Piono-free为:
[0082]
[0083] 其中:P1和P2分别表示双频导航信号对应的伪距观测值,f1、f2分别为双频导航信号的第一载波频率和第二载波频率。
[0084] (4)、通过历元归算,将修正后的北斗卫星与低轨卫星之间的伪距、北斗卫星与低轨卫星之间的伪距统一到同一时刻,并解耦北斗星间双向观测信息中的星间距离和相对钟差,将归算后的低轨卫星伪距、北斗星间距离、北斗星间相对钟差作为观测量,北斗导航卫星在地心惯性坐标系下的位置、速度和钟差作为系统状态量,通过轨道动力学模型建立系统函数,采用数值积分方法完成系统状态量在地心惯性系下的递推,作为系统状态量先验估计,通过系统函数对系统状态量求偏微分生成系统矩阵;通过北斗导航卫星和低轨卫星的空间几何分布生成观测矩阵,采用扩展卡尔曼滤波方法进行不断地迭代更新,得到北斗卫星的位置、速度和钟差。
[0085] (4.1)、测量历元归算。
[0086] 进行各项误差修正后的星间双向伪距观测为:
[0087] ρAB(t1,t3)=|rA(t1)-rB(t3)|+c[δtB(t3)-δtA(t1)]+εAB
[0088] ρBA(t2,t4)=|rB(t2)-rA(t4)|+c[δtA(t4)-δtB(t2)]+εAB
[0089] 进行各项误差修正后的低轨伪距观测为:
[0090] ρAa(t5,t6)=|rA(t5)-ra(t6)|+c[δta(t6)-δtA(t5)]+εAa
[0091] 其中,δtA和δtB为A星和B星的钟差,εAB,εAB和εAa为观测噪声。观测量需要通过归算完成时间同步,将观测量中的导航卫星位置和钟差统一到同一时刻。
[0092] 位置归算方法如下所示,通过修正项 可将观测中A星和B星的位置归算至统一的t0时刻,其中rA(t1),rB(t3),vA(t1),vB(t3)可使用预报轨道位置和速度。
[0093]
[0094] 钟差归算方法如下所示,通过修正项 可将观测中A星和B星的钟差归算至统一的t0时刻,其中 为星上存储的先验钟差参数,可在自主
定轨过程中不断进行精化估计。
[0095]
[0096]
[0097] 进行测量时刻归算后生成的新观测量为:
[0098] ρAB(t0,t0)=|rA(t0)-rB(t0)|+c[δtB(t0)-δtA(t0)]+εAB
[0099] ρBA(t0,t0)=|rB(t0)-rA(t0)|+c[δtA(t0)-δtB(t0)]+εAB
[0100] ρAa(t0,t6)=|rA(t0)-ra(t6)|+c[δta(t6)-δtA(t0)]+εAa
[0101] (4.2)、钟差和距离解耦。
[0102] 通过北斗星间观测双向处理解耦星间距离和相对钟差,之后距离量可作为卡尔曼滤波的观测使用。
[0103]
[0104]
[0105] 对于低轨观测量,由于只有单向测量,无法通过双向处理解耦钟差和距离,需要在卡尔曼滤波器中对导航卫星的时间信息进行估计,完成距离和时间解耦。
[0106] (4.3)卡尔曼滤波
[0107] 本发明通过北斗导航卫星和低轨卫星的空间几何分布生成观测矩阵。其中,轨道动力学模型需要考虑地球高阶重力场,日月三体引力,太阳辐射压力等因素,力学模型表示为:
[0108] 所述轨道动力学模型表示为:
[0109] a(r,t)=ag(r,t)+as(r,t)+am(r,t)+asrp(r,t)
[0110] 其中,a(r,t)表示北斗导航卫星受到的轨道摄动引起的加速度,r表示北斗卫星的位置,t表示时间,ag(r,t)表示北斗导航卫星受到的地球重力场引起的加速度,as(r,t)表示北斗导航卫星受到的太阳引起的加速度,am(r,t)表示北斗导航卫星受到的月亮引起的加速度,asrp(r,t)表示北斗导航卫星受到的太阳光压引起的加速度。
[0111] 本发明观测模型主要由北斗导航卫星和低轨卫星的空间几何分布确定。其中,北斗导航星间观测不含有时间信息,低轨观测的时间和距离信息尚未解耦,需要额外估计北斗导航卫星与低轨卫星时差。观测矩阵具体表示如下:
[0112]
[0113] 其中, 表示北斗导航卫星间的单位位置矢量, 表示北斗导航卫星和低轨卫星间的单位位置矢量。n和m分别代表星间观测和低轨观测的数量。上述观测模型建立了系统状态和星间观测及低轨观测的相互关系。
[0114] 二、低轨卫星星上处理
[0115] 1、北斗导航信号及外源信号的观测。
[0116] 低轨卫星对北斗导航信号进行观测,得到北斗下行观测量信息,即北斗卫星与低轨卫星之间的伪距。低轨卫星对外源导航信号进行观测,生成外源导航观测量信息、外援导航信号伪距观测量、载波相位观测量以及导航卫星精密轨道钟差等导航增强信息。所述泛在的外源导航信号包括GPS卫星导航信号、GALILEO卫星导航信号、GLONASS卫星导航信号、QZSS卫星导航信号、QZSS导航系统L6频点增强信号、GALILEO导航系统L6频点增强信号、OmniSTAR导航系统L频段增强信号、StarFire导航系统L频段增强信号或全球精度L频段增强信号。如下表所列:
[0117]
[0118]
[0119] 2、低轨卫星自主定轨。
[0120] 若外源导航信号观测数据大于4个(双系统观测需要5个,系统增加时所需观测数量依次加1),可通过SPP(标准单点定位)技术进行低轨卫星几何学自主定轨。若外源导航增强信号有效,则在有效时段内,使用PPP(精密单点定位)进行几何学精密自主定轨,得到低轨卫星在地心惯性坐标系下的位置和速度信息。
[0121] 3、定轨结果与北斗观测组帧上传。
[0122] 将低轨卫星自主定轨的结果与对北斗下行观测量信息进行数据组帧,然后通过低-高轨通信链路上传北斗导航卫星。
[0123] 本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。
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