[发明专利]一种基于相对位置矢量测量的卫星编队初始定位方法

说明书

本发明提出了一种基于相对位置矢量测量的卫星编队初始定位方法。具体实现过程为对一段时间内的星间相对位置矢量测量数据进行自适应多项式拟合，根据拟合多项式的二阶导数提取星间相对加速度，基于星间相对加速度与相对位置矢量选取导航解算模式，进而结合星间相对加速度与中心天体引力场模型，根据不同的导航解算模式选取对应的全局粗搜索算法与局部精搜索算法，求解卫星编队的位置信息，实现卫星编队的导航定位。本发明所提出的初始定位方法仅利用卫星编队的相对位置矢量测量，完全不依赖外部信息，针对不同的卫星编队构型选用不同的导航解算算法，具有自主性高、适应能力强的优点。

技术领域

本发明提供一种具有完全自主性的、不需要外部测量信息的卫星编队初始定位方法。它涉及一种从一系列星间相对位置矢量中提取相对加速度的自适应拟合阶次的多项式拟合算法，以及基于星间相对运动特性的导航解算算法，包括导航解算模式选取判据、全局搜索算法和局部搜索算法。属于导航技术领域。

背景技术

卫星编队(也称为分布式卫星系统)作为航天领域的一个创新概念，代表了航天技术研究的一个重要方向。卫星编队与单颗卫星相比，由于其卫星数量更多，在功能和性能上得到了提高，并且具有极大的应用灵活性和安全性，成为当下研究的热点。

随着各国相关卫星编队发射任务的增加，在轨运行卫星数量的增加对传统依靠地面站测控获得卫星精密轨道数据的方法带来越来越大的挑战，因此对卫星自主导航方法的需求在日益增长。目前低轨卫星主要利用全球导航卫星系统GNSS(Global NavigationSatellite System)完成自主导航。但是如果在战时地面站和GNSS卫星全部被摧毁或者是失效的情况下，依靠地面站和GNSS的导航方法都将失效。并且随着深空探测任务的发展，深空探测器需要在没有GNSS和地面站信息的情况下完成自主导航。因此研究一种完全独立的卫星编队自主导航方法具有重要意义。

作为一种新型自主导航方法，基于星间相对测量的卫星编队自主导航方法可以满足上述需求。

目前，很多研究已经证明了利用相对位置测量实现两个或两个以上编队航天器自主定轨的可行性。这种自主导航方法的基本原理是通过卫星编队卫星对彼此之间的相对位置矢量进行一段时间的连续测量，进而对所有成员航天器进行绝对轨道确定，其中星间相对距离可以用微波测距系统或激光测距仪测量，星间相对视线(LOS)由光学照相机来测量。此外为了确定卫星编队内各卫星的绝对轨道，各卫星还需要配备星敏感器以确定卫星在惯性空间中的姿态从而将星间相对位置矢量转换到惯性空间内。

基于星间相对位置测量确定绝对轨道的自主导航方法最早由Muller和Kachmar在1971年提出。他们在论文中提出了一种“卫星弹射”导航系统，即主卫星向临近空间中弹射一颗小卫星。并且主卫星可以利用星上设备跟踪测量小卫星相对于主卫星的位置变化。一段时间内的连续相对位置矢量测量信息经过序贯卡尔曼滤波器处理，进而可以得到对主卫星绝对轨道状态量的估计值，实现自主导航。

1983年，K.Yong,C.C.Chao和A.S.Liu提出利用星间激光通信进行星间相对位置矢量测量，进而确定卫星编队绝对轨道的方法。该方法首先利用卡尔曼滤波器对相对测量进行估计得到精确测量信息，之后利用批处理滤波器对精确相对测量信息进行处理，确定卫星编队绝对轨道。仿真结果表明，定位结果轨道面内误差为200m，轨道面外误差为300m。

Markley在1984年通过将系统模型进行线性化对这种导航方法的可观测性进了分析。他指出几乎所有的双卫星编队都可以通过相对位置矢量测量数据确定绝对轨道，除非两颗卫星的轨道高度始终相同。