[发明专利]一种高精度实时微纳卫星集群导航方法

说明书

本发明提出一种基于全球导航卫星系统(GNSS)单频接收机的微纳卫星集群分布式导航方案，构建适用于高精度导航的微纳卫星集群绝对和相对轨道动力学模型，建立了单频组合观测数据与载波相位差分数据的融合机制，进而设计了一种高精度微纳卫星集群导航方法。本发明采取了分布式导航的理念，即集群中每颗卫星均可以向其他卫星发送自身的GNSS测量信息，并且每颗卫星均可以利用接收到的其他卫星以及自身的GNSS测量信息对集群所有卫星进行导航。本发明的具体实现方法是利用GNSS观测量和基于载波差分得到的相对位置矢量对利用动力学模型计算得到的卫星位置、速度等状态量的估计量进行基于卡尔曼滤波的修正，从而得到卫星集群高精度的绝对与相对位置信息，实现对卫星集群进行高精度导航的目的。本发明具有导航精度高、实时性好的优点。

技术领域

本发明提供一种具有较高精度和实时性的微纳卫星集群导航方法，它涉及一种使用GNSS(Global Navigation Satellite System)广播星历、单频伪距与载波相位信息，以及基于载波差分计算得到的星间相对位置矢量，利用拓展卡尔曼滤波对卫星集群进行高精度导航的方法。属于导航技术领域。

背景技术

基于GNSS的卫星精密定轨技术最早可以追溯到1975年美国洛克希德导弹公司关于应用GPS进行航天器导航的可行性研究。研究认为，在800km轨道高度以下，使用星载GPS接收机进行导航在技术上完全具有可行性，在更高轨道下的导航也具有巨大的研究与发展空间。1982年，美国的地球资源卫星卫星LandSat-4使用星载GPS接收机实现了无SA干扰情况下位置误差小于50m的导航精度，证明了GPS技术在航天器导航领域应用的可行性。

经过几十年的发展，基于GNSS的低轨卫星定轨技术已经趋于成熟。目前，定轨方法分为两种方法，一种是约化动力学方法，另一种是运动学方法。

约化动力学方法最早由T.P.Yunck、S.CWu等学者与1986年提出，并且运用于实际的卫星定轨任务。该方法将卫星的轨道动力学方程与GPS观测方程进行融合，在动力学信息与几何信息间进行最优求解，既削弱了动力学模型误差影响，也实现了在GPS卫星几何分布较差或数据中断情况下继续实现定轨。该方法充分发挥了卫星轨道动力学与GPS测量两方的优点，提供的轨道解是卫星质心。早在2000年P.N.A.M Visser和J.van den Ijssel使用双频GPS接受数据通过对GOCE卫星的定轨就已经验证了，约化动力学方法得到的轨道精度可达到厘米级。

2002年Chiaradia研究了使用单频GPS数据对Topex/Poseidon卫星进行实时约化动力学定轨的方法，达到了十数米的定轨精度，验证里使用廉价单频GPS接收机对低轨卫星进行实时定轨的可行性。

如今，后处理约化动力学定轨方法已经非常成熟，定轨精度高，而且基于单频、实时的约化动力学定轨方法也得到了广泛的研究，但约化动力学方法计算复杂、计算量大、受动力学模型精度影响等最本质问题的存在，使得其并不能很好的适用于任务预算、星上资源有限的小卫星、微纳卫星定轨任务以及卫星变轨等情景。因而，通用性更加广泛、研究相对较少的GNSS运动学定轨方法应该受到更广泛的关注。

基于GNSS的运动学定轨方法是一种只依赖接收机接收到的GNSS伪距信息和载波相位信息进行定位解算的方法。该方法提供的轨道解是星载GNSS接收机天线相位中心的位置。

2003年，Montenbruck就验证了纯运动学定轨方法的精度，其采用单频测量数据，GRAPHIC组合消电离层的方法最终取得了1-1.5m的定轨三维误差，说明了纯运动学高精度定轨可行性。但是相较于约化动力学方法，运动学定轨方法研究较少，尤其是在单频实时领域。

综上，本发明提出了一种高精度的实时微纳卫星集群导航方法，其利用接收机接收到的GNSS广播星历、单频伪距和载波相位信息，通过拓展卡尔曼滤波器(EKF)对绝对和相对动力学模型得到的状态量预测值进行修正，得到高精度导航结果。并利用分布式设计理念，通过融合卫星集群中每颗卫星的导航结果得到卫星集群最终的高精度导航结果。

发明内容