[发明专利]一种利用外部基准辅助的星座自主导航方法

说明书

本发明公开一种卫星星座自主导航方法。本方法针对高、中、低轨卫星星座自主导航，采用外部基准辅助星间链路测距的自主导航方式，首先在卫星星座中选取2‑3颗基准卫星星安装X射线脉冲星导航仪完成X射线脉冲星导航以提供星座绝对信息，然后卫星星座完成基于星间链路的基准卫星‑基准卫星、基准卫星‑自主卫星、自主卫星‑自主卫星星间测距，最后结合星座轨道动力学递推，利用扩展卡尔曼算法，完成星座的自主导航。该方法自主性强、可靠性高、适用范围广。

技术领域

本发明涉及卫星星座自主导航技术，尤其是针对高中低轨卫星星座基于X射线脉冲星联合星间链路的整网星座自主导航技术。

背景技术

利用多颗卫星建立卫星星座，能够实现全球导航、通信、侦查以及全球环境监测等单颗卫星难以完成的任务。比如，天基高轨卫星星座可以完成对导航目标的预警；中轨导航卫星星座能够提供全球导航信息；低轨通信卫星星座能够覆盖陆、海、空、天多维空间，支持话音、数据、短消息等多种业务类型，满足数字化战场对信息传输实时性、作战地域广泛性以及终端小型化的要求。为保障卫星星座在地面站布设受限、甚至战时被摧毁情况下仍然能够有效地发挥作用，必须使星座具备较长时间的自主运行能力。因此，星座卫星自主导航作为星座自主运行的前提至关重要。

发明内容

本发明提供一种利用外部基准辅助的星座自主导航方法，该方法能够完成高中低轨卫星星座高精度自主导航。

本发明的构思是，卫星星座基准卫星安装有X射线脉冲星导航仪和无线电收发机，X射线脉冲星导航仪通过对X脉冲星辐射的X射线光子进行累积观测，通过对多个周期观测的光子到达时间进行拟合，得到具有较高分辨率的脉冲轮廓影像，进而确定信号相位的到达时间，通过计算转换为距离观测量；自主卫星安装无线电收发机，无线电收发机测量得到基准卫星-自主卫星星间距离观测量。将星座卫星轨道动力学方程作为状态方程，将X射线脉冲星导航距离观测量和卫星星间距离观测量作为量测量，输入至卡尔曼滤波器，利用扩展卡尔曼滤波算法估计基准卫星和自主卫星的导航参数，进行星座整网定轨，完成卫星星座的自主导航。

为达到上述发明目的，本发明的利用外部基准辅助的星座自主导航方法，包括如下步骤：

S1)、以基准卫星和自主卫星的位置速度为状态量，建立星座自主导航系统的状态方程；

S2)、以基准卫星X射线脉冲星自主导航信息结合星座卫星之间的测距信息，建立系统的量测方程；

S3)、利用扩展卡尔曼滤波算法估计基准卫星和自主卫星的导航参数，进行星座整网定轨，完成卫星星座的自主导航。

进一步，步骤S1)中，以基准卫星和自主卫星的位置速度为状态量，仅考虑二阶带谐项建立的自主导航系统状态方程：

式中X₁、X₂分别表示基准卫星和自主卫星的位置速度状态量，Δf₁、Δf₂分别表示地球非球形引力高阶摄动、日月光压摄动等。

进一步，步骤S2)中，首先将基准卫星X射线脉冲星导航的时间差观测量转换为距离观测量：

式中，r_SC＝X₁为基准卫星在太阳质心坐标系中的位置，n为X射线脉冲星的位置矢量，D₀为X射线脉冲星到原点的距离，b为太阳的位置矢量，μ_Sun为太阳引力常数，c为X射线脉冲信号的传播速度。

然后针对X射线脉冲星观测量建立量测方程：

ρ_psr＝ρ_{psr_c}+v₁