[发明专利]基于双向通信协同定位辅助的单星定位方法

说明书

技术领域

本发明是一种用于单星定位系统的协同定位方法，特别涉及一种基于单星定位系统(Single satellite position system)的双向通信协同定位(Bi-directional communication of co-location)辅助的定位方法。

背景技术

随着人类空间探索的发展和延伸，在行星以及小行星上进行探测、开发是人类进入宇宙的必然阶段。在行星上进行探测时需要对地面探测设备进行定位，但在行星上建立诸如北斗，GPS等卫星星座导航系统会因成本高昂且服务对象较少而无实际可行性。在这种卫星导航星座缺失环境下，单星定位系统由于成本低，单星即用，并且可以快速发射并部署为探测目标提供定位服务，从而在行星探测中很好的替代了星座型导航系统。但不同于星座型导航系统，单星定位系统由于缺少相互之间的测距约束量和地面基站校准导致单星定位系统的定轨精度较低，定位误差较大。此外，为了尽可能的增大定位服务时间，单星定位系统采用大椭圆轨道，轨道远点部分为定位目标提供定位服务，在轨道近点部分，导航卫星快速通过非服务区。但这种工作方式会进一步放大定位误差。

目前主要的单星定位方法有基于卫星发射信号测频的单星定位方法，基于测频测距的单星定位方法，基于多普勒频移的单星定位方法，基于测相测角的单星定位方法和基于径向加速度的单星定位方法。其中，基于卫星发射信号测频的单星定位方法利用卫星发射信号的测频信息构建多个定位辐射面实现单星定位，但当辐射面增大时，定位误差会快速增长。基于测频测距的单星定位方法测频基础上增加测距信息构建多个定位曲线实现单星定位，但和基于卫星发射信号测频的单星定位方法相同，随着定位曲线的距离增长，定位误差呈现指数性增长。多普勒频移的单星定位方法利用多普勒频移构建定位双曲面实现单星定位，这需要定位卫星具有较高的移动速度，当卫星移动速度较小时，定位误差较大并不适合大椭圆远地点定位的单星定位系统。基于测相测角的单星定位方法利用卫星轨道和定位目标之间的测量角度构建多个定位锥面从而完成定位，但这对测角的精度要求非常高。基于径向加速度的单星定位方法通过对定位目标构建动态模型并通过动态模型的径向加速度完成单星定位，但该方法对动态模型的精确性要求较高，当动态模型的精确性较差时，定位误差较大。

发明内容

针对行星探测中，单星定位系统由于定轨误差较大导致探测目标定位误差较大的问题，本发明设计了一种基于双向通信协同定位辅助的单星定位方法，实现难度低，易于建立，能有效减小单星定位系统中地面探测器的定位误差。主要包含单星定位模块和协同定位模块两个部分。单星定位模块位于卫星和地面探测器，主要完成地面探测器的单星定位解算以及地面探测器之间距离的求解。协同定位模块位于地面探测器，主要完成地面探测器之间的协同定位。为了减小单星定位系统卫星定轨误差所造成的定位误差，本发明将地面探测器所得到的自身定位坐标发送到定位卫星，定位卫星根据所需定位的地面探测器自身定位坐标按照一定的距离限制条件确定协同定位的地面探测器，并通过卫星计算得到的地面探测器和协同地面探测器之间的距离信息建立权重系数，并通过该系数融合各个协同地面探测器的单星定位结果从而减小卫星定轨误差对地面探测器定位误差的影响，并提高定位精度。

本发明的技术方案为：

所述一种基于双向通信协同定位辅助的单星定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采用以下过程获得每个地面探测器的初始坐标估计值：

对于第i个地面探测器，在三个不同时刻接收单星发射信号，并获得三个不同时刻下单星的坐标，利用多普勒测频仪获得第i个地面探测器和单星之间，在第一时刻与第二时刻的伪距差，以及在第二时刻与第三时刻的伪距差；

根据得到的两个伪距差以及第i个地面探测器的自身高度信息，结合三个不同时刻下单星的坐标，通过最小二乘法得到第i个地面探测器的初始坐标估计值并将该初始坐标估计值发送给单星；

步骤2：采用以下过程迭代更新每个地面探测器的坐标估计值：

对于第i个地面探测器，其坐标估计值更新公式为：

其中为第i个地面探测器在第k-1次迭代后的坐标估计值，为第i个地面探测器在第k次迭代后的坐标估计值，n为与第i个地面探测器直线距离不大于设定阈值的地面探测器个数，为第k-1次迭代后n个地面探测器中的第j个地面探测器到所述第i个地面探测器的融合系数，融合系数与对应两个地面探测器间的直线距离负相关；为n个地面探测器中的第j个地面探测器对所述第i个地面探测器的估计坐标：