[发明专利]一种集群分布式脉冲星自主导航系统的控制方法

权利要求书

1.一种集群分布式脉冲星自主导航系统的控制方法，其特征在于：包括若干集群分布式布局的卫星，所述卫星上设置有脉冲星探测器载荷、星间链路载荷、星敏感器载荷及导航计算模块；

所述脉冲星探测器载荷包括第一转台、光子探头、第一信号放大与采集电路、脉冲星跟踪模块、光子序列编码模块；

所述脉冲星跟踪模块包括：脉冲星数据库，用于储存作为导航源的脉冲星的星图信息；

脉冲星转台控制子模块，与所述脉冲星数据库相连，用于根据卫星位置预估值、脉冲星的位置计算得到第一转台的转动角度，进而驱动第一转台转动，从而使被测脉冲星始终处于光子探头的视野；

所述星敏感器载荷包括第二转台、光学探头、第二信号放大与采集电路、星图匹配模块、星图角距生成模块；

所述星图匹配模块包括：星图数据库，用于储存背景恒星的星图信息；星敏感器转台控制子模块，与所述星图数据库相连，用于控制第二转台转动，使建立星间链路的主星或中继星以及2个及以上储存在星图数据库内的背景恒星始终处于光学探头的视野内；

所述导航计算模块包括：集群卫星脉冲星观测任务动态规划单元，用于根据卫星集群的星间链路、轨道和姿态估值的具体信息，动态地计算和分配集群中各个卫星对脉冲星的观测任务；光子序列折算单元，用于实现辅星处光子序列向主星位置处的折算；TOA提取与导航解算单元，用于对主星收集到的所有光子序列进行处理，并与标准脉冲星数据信息进行比对，给出TOA信息，并利用该TOA信息，进行导航解算；

所述光子序列折算单元还包括相对多普勒频移补偿子单元，所述相对多普勒频移补偿子单元用于利用星间距离信息和被观测卫星单位位置矢量信息实现卫星之间相对速度的计算，利用该相对速度补偿相对多普勒频移；

包括以下步骤：

S1.构建集群分布式卫星系统，在地球空间选取低、中、高轨道任意卫星，卫星之间通过星间链路载荷建立连接；

S2.系统初始化，各卫星的位置、速度、姿态预估信息通过星间链路共享，并选取一颗卫星为主星，剩余卫星为辅星；

S3.选取导航脉冲星，主星从脉冲星数据库中选取一定数量的脉冲星作为导航观测对象；

S4.观测任务分配，主星根据各卫星对脉冲星的可见性，在卫星运动过程中进行动态分组，实现每组卫星对其目标脉冲星的最优观测；

S5.信息观测，辅星利用星敏感器载荷对主星或中继星以及两颗以上的背景恒星进行观测获得星光角距；利用脉冲星探测器载荷对目标脉冲星进行观测获得脉冲星的光子序列信息，并将所获得的信息通过星间链路发送给主星；

S6.信息汇总，主星的光子序列折算单元将辅星发送过来的信息及通过星间链路载获得的与各辅星之间的测距信息通过差值的方式进行时间对齐，形成表格化信息；

S7.几何距离补偿折算，对由于卫星之间距离引起的光子序列几何延迟进行补偿折算；

S8.相对多普勒频移补偿，对由于各卫星速度不同引起的相对多普勒频移进行补偿；

S9.主星导航定位解算，主星根据自身探测到的光子序列和来自辅星的补偿折算完成的光子序列计算得到TOA值，利用牛顿迭代法，根据TOA对上一次的位置估计进行修正，当算法收敛时，即完成了主星导航定位解算；

S10.辅星导航定位，主星将导航定位结果通过星间链路分发给各辅星，各辅星结合星间链路给出的相对主星的高精度相对导航定位信息，计算得到自身的导航定位信息。

2.根据权利要求1所述的一种集群分布式脉冲星自主导航系统的控制方法，其特征在于：所述几何距离补偿折算的具体方法为：

S1.按以下公式进行星间距离向脉冲星方向的投影折算：

其中，l₃为主辅星之间距离在脉冲星方向投影；

l₀为星间链路给出的星间距离；

α₁和α₂分别为星敏感器给出的在辅星处观测两颗恒星与主星或中继星构成的星光角距；

α₃为前述两颗恒星中的某恒星与脉冲星夹角，根据星历为已知量；

θ为主星与辅星的连线与ε平面构成的高低角；

为坐标系旋转角；

S2.当l₃计算完成后，进行光子从辅星到达主星上的时间折算：

其中，v₀为主星或中继星的速度；

t为光子从辅星到达主星的时间差值；

c为光速。

3.根据权利要求2所述的一种集群分布式脉冲星自主导航系统的控制方法，其特征在于：所述相对多普勒频移补偿的具体方法为：

S1.利用星间测距和星敏感器观测进行相对速度估算：

其中，l₀为星间距离；

为星敏感器测量获得的卫星单位矢量；

为星间距离在上的投影；

为卫星相对速度；

dt为微积分写法，表示微小的变量；

interp表示差值计算；

为所需时刻的卫星相对速度；

S2.利用下面的公式获得脉冲星方向上的相对速度投影为：

S3.对脉冲星方向上的相对多普勒频移进行补偿：

其中，f_d1为脉冲星方向上的辅星多普勒频移；

f为脉冲星固有频率；

为脉冲星方向上的辅星的速度；

为脉冲星方向上的主星或中继星的速度；

f'_d1为通过相对速度投影计算的相对多普勒频移；其中，

f_d0为主星的多普勒频移；

c为光速。