[发明专利]利用单天线导航接收机测量自旋卫星姿态的系统及方法

摘要

本发明提供了一种利用单天线导航接收机测量自旋卫星姿态的系统，包括：导航接收机、天线、自旋卫星以及导航卫星；其中，所述导航接收机设置在所述自旋卫星的星体内部；所述天线设置在自旋卫星的星体顶面且设置的自旋卫星自旋主轴的侧面；所述自旋卫星通过导航接收机跟踪好接收多颗导航卫星的信号。导航接收机采用可单独或集成接收美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲伽利略和中国北斗卫星导航定位系统信号的星载导航设备。本发明还提供相应的测量方法。本发明中利用单天线导航接收机测量自旋卫星姿态，仅需要一个天线就可对近地轨道高度低于20000km的自旋卫星进行姿态确定，具有质量轻、低能耗，以及避免整周模糊度计算等优点。

主权项

一种使用利用单天线导航接收机测量自旋卫星姿态的系统测量自旋卫星姿态的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立本体坐标系；步骤2：在本体坐标系中计算天线到导航卫星的距离ρas；步骤3：计算天线接收到信号的相位φc(t)；步骤4：建立离散载波相位模型并计算载波相位差yn；步骤5：联立ρas、φc(t)和yn计算出本体坐标系下自旋卫星指向导航卫星矢量的角度θs和角度ψs；在本体坐标系中天线到导航卫星的距离ρas为：ρas=ρs2+ra2-2ρsracosθscos(ψs-ωat-ψa)≅ρs-racosθscos(ψs-ωat-ψa)---(1)]]>其中，ρs为自旋卫星到导航卫星的距离，ra为天线的安装半径，ωa为自旋卫星的自旋角速度，ψa为天线与本体坐标系xb轴的夹角，ψs为赤道惯性坐标系中矢量rs在xbyb平面内的投影与xb轴的夹角，θs为矢量rs和xbyb平面的夹角，t为数据接收时间；所述步骤3包括如下步骤：步骤3.1：由于(ra/ρs)＜＜1，则天线接收到的信号相位φc(t)表示为：φc(t)=ωct-ρas(t)(ωcc)+constant=ωct+φDopp(t)---(2)]]>其中，ωc是信号传播的频率，c为光速，ρas(t)为接收机天线到导航卫星的距离，constant为接收机天线与导航卫星非径向相对运动产生的相位差的总和，φDopp(t)是导航接收机、天线和导航卫星之间相对运动产生的多普勒频率形成的相位值；步骤3.2：将(1)式代入(2)式得到：φc(t)＝ωct+φDnr(t)+xccos(ωat+ψa)+xssin(ωat+ψa)   (3)xc=ωcrac(cosθs×cosψs)---(4)]]>xs=ωcrac(cosθs×sinψs)---(5)]]>其中，为自旋卫星和导航卫星相对运动形成的多普勒相位；xc cos(ωat+ψa)+xs sin(ωat+ψa)为由天线绕自旋卫星主轴自旋运动产生的多普勒相位，xc和xs为自旋卫星与导航卫星由于旋转运动产生多普勒频率沿角度方向分解的两个系数；步骤3.3：通过(4)、(5)式计算出矢量rs的角度θs和ψs的计算式：ψs＝arctan2(xs,xc)   (6)θs=arccos[(cxc2+xs2)/(ωcra)]---(7);]]>步骤4.1：设导航接收机产生的伪随机噪声码环开始和结束在时间节点t0、t1、t2、……tn的载波相位模型为：xpxvxaxcxsn=1Δtn-1Δtn-1220001Δtn-100001000001000001xpxvxaxcxsn-1-Δtn-10000ωre(n-1)+Wn---(8)]]>其中，时间间隔Δtn‑1＝tn‑tn‑1，频率ωre(n‑1)为从tn‑1到tn内导航接收机估计载波相位的变化率，状态量xp＝φdnr‑φre+ωat为自旋卫星与导航卫星整体相对运动产生的多普勒相位与载波NCO估计值的差值加上自旋运动产生的载波相位的累加，状态量为自旋卫星与导航卫星相对运动多普勒频率加上自旋卫星的自旋角速度；状态量为自为自旋卫星与导航卫星相对运动多普勒频率的变化率，Wn为随机噪声；为自旋卫星与导航卫星相对运动多普勒频率，为自旋卫星与导航卫星相对运动多普勒频率的变化率；步骤4.2：计算载波相位差，具体为，由导航接收机中的载波环鉴别器输出的载波相位差yn表示为：yn＝‑arctan2(Qn,In)   (10)其中，In为导航接收机的延迟锁定环路的同相信号，Qn为导航接收机的延迟锁定环路的正交信号；对于自旋卫星，在导航接收机的跟踪环路锁定状态下，从tn‑1时刻到tn时刻的平均载波相位差yn表示为：yn=1Δtn-1∫tn-1tn[xp(t)+xc(t)cos(ωat+ψa)+xs(t)sin(ωat+ψa)]dt+Wn---(11)]]>其中，xp(t)为自旋卫星与导航卫星整体相对运动产生的多普勒相位与载波NCO估计值的差值加上自旋运动产生的载波相位的累加值随时间的变化；xc(t)和xs(t)为自旋卫星与导航卫星由于旋转运动产生多普勒频率沿角度方向分解的两个系数随时间的变化；步骤4.3：将(8)式代入(10)式整理得：yn=1Δtn-12Δtn-126Cc(n-1)Cs(n-1)xpxvxaxcxsn-1-Δtn-12ωre(n-1)+Wn---(12)]]>Cc(n-1)=[sin(ωatn+ψa)-sin(ωatn-1+ψa)ωaΔtn-1]---(13)]]>Cs(n-1)=-[cos(ωatn+ψa)-cos(ωatn-1+ψa)ωaΔtn-1]---(14).]]>