[发明专利]星上可用的北斗卫星集中式星座自主导航系统及导航方法

说明书

本发明提供了一种星上可用的北斗卫星集中式星座自主导航系统及导航方法，由于星上处理能力的限制，北斗卫星采用分布式算法实现星间链路自主定轨。由于分布式定轨算法只能得到局部次优解，为进一步提升北斗卫星自主导航算法精度，本发明对北斗卫星整网集中式定轨算法在轨实现方法开展研究。设计了基于推广卡尔曼滤波算法的整网集中式定轨算法，并设计了算法的在轨实现流程。最终利用北斗卫星星上使用的龙芯1E300处理器对算法精度及工程可行性进行了评估。仿真结果表明，整网集中式算法精度优于分布式导航算法。且通过在龙芯1E300处理器上仿真验证可知，集中式导航算法已具备星上使用条件。

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种星上可用的北斗卫星集中式星座自主导航系统及导航方法。

背景技术

新一代北斗三号卫星将于2020年全面建成，为全球提供导航服务。相比于上一代北斗二号卫星，新一代北斗三号卫星均增加有星间链路载荷，以实现北斗导航星座中双星间的测距与通信。与GPS卫星采用的UHF链路不同，北斗卫星采用的为Ka星间链路。相比于UHF链路，Ka链路建链速度更快，抗干扰能力更强，是一种性能更为优越的星间链路设计。基于Ka星间链路的星间测距及通信能力，新一代北斗卫星均设计有卫星自主导航功能。通过实时采集星间、星地双向测距信息，可实现对卫星动力学预报轨道的修正，进而实现卫星自主导航。但与GPS卫星一样，北斗卫星也采用分布式算法以实现卫星星间测距自主导航。在分布式算法中，算法只获取与本星相关的星间测距值，仅根据星间测距值确定自身导航状态。由于分布式算法是以假设解耦为前提的，其精度将不可避免地遭受损失。

与分布式算法估计方法不同，集中式算法是采集整网卫星星间测距信息，并基于测距信息确定所有星座卫星的导航信息，可得到全局最优解。因而，从统计学角度分析，集中式算法精度远优于分布式算法。地面即是通过集中式批处理算法实现卫星轨道的精密确定。近年来，本领域技术人员均探讨了集中式导航算法的在轨实现方法。例如，为降低集中式自主定轨算法的计算量，提出了一种以长期预报星历为基础，利用观测信息实时修正广播星历变量的集中式自主定轨方法。再比如，提出了一种快速、稳定的运动学集中式定轨算法。该算法不基于轨道动力学模型，利用高阶多项式对真实轨道与长期预报星历的差异进行描述。上述虽分别设计了星上可用的集中式导航算法。但均以星上处理能力受限为前提，将算法进行了相应的简化。而随着北斗三号卫星在星载计算机和星间通信技术的突破，Ka星间链路可以实现卫星与卫星之间100k的通信速率，而星上使用的龙芯1E300处理器的峰值频率为200MHz，内存为512M。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星上可用的北斗卫星集中式星座自主导航系统及导航方法，以解决现有的北斗卫星星座自主集中式导航算法因为星上处理能力受限被简化的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种星上可用的北斗卫星集中式星座自主导航系统，所述星上可用的北斗卫星集中式星座自主导航系统包括分布于各个子卫星上的信息采集模块、承载于主卫星上的集中式导航算法及可行性验证模块，其中：

所述信息采集模块根据星座建链表完成整个星座的卫星间的相互测距，获取星间双向测距信息；

所述子卫星根据星座路由表，将所述星间双向测距信息传入所述主卫星中；

所述集中式导航算法及可行性验证模块包括星间测距观测模型生成模块、轨道预报算法模块及滤波估计模块，其中：

所述轨道预报算法模块依据卫星动力学模型得到星座卫星预报轨道信息；

所述星间测距观测模型生成模块对星间双向测距信息进行处理，得到算法所需的观测量并构建观测方程，形成整网星间观测信息；

所述滤波估计模块利用扩展卡尔曼滤波算法将所述整网星间测距信息作为模型，修正所述星座卫星预报轨道信息，更新整个星座的定轨信息；

所述主卫星将所述整个星座的定轨信息实时发送至各个子卫星，执行各个卫星轨道信息的更新，完成集中式自主导航算法的一次定轨；