[发明专利]一种双星编队仅测距相对导航方法

说明书

本发明一种双星编队仅测距相对导航方法，能够在卫星不进行特殊轨道机动，也不增加星载数据链接收天线的情况下，仅依靠天线接收机的偏离质心安装和姿态机动辅助，就能实现双星编队的自主相对导航。其以双星编队中双星的相对轨道运动方程为导航状态方程进行相对轨道进行演化，以偏离卫星质心安装的星载数据链天线接收机测量的相对距离信息，通过迭代算法求解相对位置和相对速度，完成双星编队仅测距相对导航。通过引入天线接收机偏离卫星质心安装的偏心效应，获得仅测距相对导航解的可观测能力；采用姿态机动辅助提升可观测度，并通过迭代求解方式获得相对位置和速度。

技术领域

本发明属于空间自主相对导航领域，涉及一种双星编队仅测距相对导航方法。

背景技术

随着空间技术的发展和空间环境的日益恶化，空间任务的复杂程度日益提升。以往通过单颗昂贵精密卫星就能完成的任务，因为其代价高、研制周期长、可维护性差、工作寿命限制等问题，很大一部分将逐步被分布式卫星系统所取代。

分布式卫星系统工作的重要环节之一便是卫星编队飞行，而高精度的相对导航则是编队飞行的关键前提。常用的微波雷达因为其系统复杂、造价昂贵、能耗巨大等原因，往往只能在诸如飞船等大型航天器上安装使用；激光雷达同样系统复杂、功耗较高，结构和能源方面的限制使得激光雷达难以大量普及使用；光学相机对测量环境要求较高，因为存在目标处于背阴弧段时太暗无法进行可见光成像，目标和相机都处于向阳弧段时强光使得曝光失败导致测量失效的问题，所以光学相机的有效测量弧段相当受限；而采用星载数据链测距导航的方式，不需要增加额外的硬件设备，也不增加额外的能源消耗，利用卫星相互通讯时的副产品“时标信息”测距导航具有独特的优势。而通过“时标信息”测距的测量方式只能获得相对距离信息，缺乏相对方位信息，带来了相对轨道的可观测性问题。

目前国内外解决该问题主要有两类方案：1、轨道机动方案，通过卫星进行特殊轨道机动引入新的距离信息实现定轨，而在相对轨道不明确的情况下实施轨道机动可能会对编队卫星的安全性和燃料消耗产生重要影响。2、双天线方案，该方案卫星平台安装两个天线信号接收器，利用两个接收器的基线获得相对轨道可观测性，而该方案需要额外的硬件设备。因此，现有技术中，双星编队仅测距相对导航，均需要通过卫星平台轨道机动或者需要多个接收机协同测量完成相对导航，不仅操作复杂，安全性不高，而且燃料消耗大，可观测性低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种双星编队仅测距相对导航方法，设计合理，操作简单，能够在卫星不进行特殊轨道机动，也不增加星载数据链接收天线的情况下，仅依靠天线接收机的偏离质心安装和姿态机动辅助，就能实现双星编队的自主相对导航。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种双星编队仅测距相对导航方法，以双星编队中双星的相对轨道运动方程为导航状态方程进行相对轨道进行演化，以偏离卫星质心安装的星载数据链天线接收机测量的相对距离信息，通过迭代算法求解相对位置和相对速度，完成双星编队仅测距相对导航。

优选的，具体包括如下步骤，

步骤1、建立天线接收机偏离卫星质心安装情况下的相对距离测量模型；

步骤2、通过线性化的Clohessy-Wiltshire相对运动动力学，由状态转移方式，对编队双星之间的相对轨道进行演化；

步骤3、将状态转移方式引入到相对距离测量模型中，得到相对距离测量量与测量时间、初始轨道、天线接收机偏心安装矢量的关系表达式；该关系表达式是以相对距离测量量ρ_i和对应测量时刻t_i为输入，以相对位置和速度x₀、y₀、z₀，和六个量为未知数的非线性方程组；

步骤4、采用修正的牛顿迭代法对m次测量的相对距离测量模型进行迭代求解得到双星相对位置和相对速度，完成双星编队仅测距相对导航。