一种基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的地球同步轨道星座定轨方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的地球同步轨道星座定轨方法，具体包括以下几个步骤：步骤一：在集中式结构下，建立GSO星座定轨系统的状态方程；步骤二：在集中式结构下，建立GSO星座定轨系统的测量方程；步骤三：联合优化用于定轨的地面站和GNSS测量组合；步骤四：根据上述建立的基于地面站/星间链路/GNSS的GSO星座联合定轨系统模型，确定实现轨道参数估计的滤波方法；步骤五：在集中式结构下，基于地面站/星间链路/GNSS的GSO星座联合定轨方法的具体实现。本发明专利技术基于精度因子法建立了地面站和GNSS测量的联合分布优选策略，在保证定轨精度的同时降低计算量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地球同步轨道卫星星座的定轨领域，具体来说，是一种通过有效融合利用地面站/星间链路/GNSS三种测量方式分别获取的星-地、星-星以及GNSS的测量信息，实现地球同步轨道卫星星座联合定轨方法。
技术介绍
随着航天科技的快速发展，地球同步轨道卫星(GeosynchronousOrbitSatellite，GSO)星座在导航定位、授时、通讯和侦查等领域得到广泛应用。高精度的卫星定轨技术是星座实现整体功能和性能的重要前提保障。地球静止轨道(GeostationaryEarthOrbits，GEO)卫星和倾斜地球同步轨道(InclinedGeosynchronousOrbit，IGSO)卫星构成了GSO星座。该星座内的卫星均属于高轨卫星，且GEO具有静地特性；IGSO的星下点轨迹是以赤道为对称轴的“8”字形，“8”字覆盖的区域与轨道倾角有关。与其他轨道类型卫星相比，GSO卫星精密轨道确定存在较大的困难。采用基于地面站测量技术对GSO卫星定轨存在一定的局限性，(1)GEO的“静地”特性及小倾角的IGSO卫星星下点轨迹区域分布范围小的特点，使之与地面站的相对位置变化不明显，星站间的观测几何变化很小，即卫星相对于地面站的动力学约束信息较弱，此时多普勒跟踪作用不明显，增加观测时间带来的信息量也有限；(2)当仅能选用国境内的地面站用于卫星测控时，由于布设范围相对较小，GSO的高轨特性使卫星与地面站之间构成的观测几何结构强度相当差，将导致在估计卫星轨道参数过程中，观测方程可能会呈现病态，影响估计精度。(3)为了保持GEO卫星对地同步，需对其频繁地实施机动控制,也给GEO卫星精密轨道的确定和预报带来较大麻烦。因此，受到地面站布设地域、设备条件等限制，通过提高测量精度和改善观测几何强度(合理进行地面站选取)，来提高基于地面站的卫星定轨精度能力是有限的。因此，需要融合其他测量技术来保证卫星星座的实时定轨精度，同时降低对地面站的依赖性。美国已经成功将GPS(GlobalPositioningSystem)用于低轨卫星的定轨中。但对于高轨卫星来说，高轨处的GPS信号强度弱，且GPS卫星可见性差。已有研究结果显示，即使将接收机灵敏度提高至28dB-Hz，GSO卫星在相当一部分时间内仍无法观测到定轨所需的至少4颗以上的GPS卫星。显然，GPS几何定轨法将难以在GSO卫星全轨道适用。我国的北斗卫导系统采用GEO+IGSO+MEO的星座构型，目前正在建设完善中，这使高轨卫星对GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)卫星的可见性得到有效改善。因此，采用基于北斗/GPS的双模GNSS技术可以辅助高轨卫星实时定轨，降低对地面站测量的依赖性。在利用地面站和星载GNSS接收机提供的测量信息有效实现单星绝对定轨的基础上，再融合利用星间链路获取的星间相对测量信息，对于改善星间相对定位的性能及卫星星座的自主定轨能力具有重要作用。目前，国内关于高轨卫星星座综合利用星-地、星-星及GNSS测量实现定轨的研究还很少。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出一种基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的地球同步轨道星座定轨方法，该方法利用地面站/星间链路/GNSS三种测量方式分别获取的星-地、星-星以及GNSS的测量信息，在基于所建立的测量信息优选判别策略实现测量信息有效性判别的基础上，利用扩展卡尔曼滤波(EKF，ExtendedKalmanFilter)等非线性状态估计法，采用集中式结构融合有效测量信息，实现GSO星座中各个卫星轨道参数的解算。该星座定轨方法首先采用集中式结构建立GSO星座定轨的系统模型，其中状态方程主要基于地心惯性直角坐标系下的卫星轨道动力学模型来建立，测量方程依据地面站/星间链路/GNSS的测量模型来建立；然后基于所建立的测量信息优选判别策略来实现测量信息有效性判别，基于最大单位矢端多面体体积法实现地面站测量信息的优选，基于加权精度因子法同时考虑观测几何结构和测量精度实现星载GNSS测量信息的实时优选；最后，采用EKF等一类非线性状态方法对有效测量信息进行融合实现GSO多星星座定轨。以4颗GSO卫星构成的星座为例验证方法的有效性。一种基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的地球同步轨道星座定轨方法，具体包括以下几个步骤：步骤一：在集中式结构下，建立GSO星座定轨系统的状态方程；步骤二：在集中式结构下，建立GSO星座定轨系统的测量方程；步骤三：定轨测量组合的优化策略；步骤四：根据上述建立的基于地面站/星间链路/GNSS的GSO星座联合定轨系统模型，确定实现轨道参数估计的滤波方法；步骤五：在集中式结构下，基于地面站/星间链路/GNSS的GSO星座联合定轨方法的具体实现。本专利技术的优点在于：(1)基于精度因子法建立了地面站分布优选策略，在此基础上优选地面站测量信息，在保证定轨精度的同时降低计算量；(2)融合了星间链路提供的相对测量信息，改善了星间相对定位性能，在一定程度上降低对地面站测量的依赖性；(3)融合了利用星载GNSS接收机获得GPS/BD双系统测量提供的辅助信息，提高了定轨精度，并降低星座对地面站的依赖，提高了自主运行能力；(4)建立GNSS和地面站联合测量信息的优选策略，同时考虑待测卫星与GNSS卫星和地面站的几何构型和测量精度，基于加权精度因子法的实现了GNSS和地面站测量的联合优选，有效利用地面站和星载GNSS接收机的测量信息以确保定轨精度，同时降低系统计算量。附图说明图1为基于地面站/星间链路/GNSS的GSO星座定轨系统构成示意图；图2为基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的GSO星座定轨方法结构图；图3为单位矢端多面体体积示意图；图4为集中式信息融合算法流程图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种基于地面站/星间链路/GNSS的GSO星座定轨方法，基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的GSO星座定轨系统构成参见图1，图中显示该星座定轨系统由待测GSO星座、分布在地球表面的地面站以及GNSS星座构成，其中待测GSO星座由m颗高轨同步卫星组成，编号依次为1,2,…,j,…m；n个地面站用于监测GSO星座运行情况，编号依次为1,2,…,i,…n；GSO星座可见的GNSS卫星有l个，编号依次为1,2,…,s,…,l。一种基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的地球同步轨道星座定轨方法的基本实现过程参见图2，图中显示该定轨方法的基本实现过程主要包括测量信息获取、星座轨道参数估计。其中获取的测量信息包括地面站的测量信息、星载GNSS接收机提供的可见星测量信息和星间链路提供的星间相对测量信息；在进行星座轨道参数估计时，①建立基于卫星简化轨道动力学模型的状态方程，②根据三种测量方式的测量原理建立测量方程，③利用由状态方程和测量方程构成的系统模型，采用非线性状态估计方法，实现轨道参数的估计；最后，输出估计得到的星座中卫星的位置和速度以及星间相对位置和速度。在地心惯性坐标系下，采用直角坐标描述法(即用位置和速度分量来表示卫星当前的运行状态)，利用EKF等非线性估计方法，结合轨道动力学方程和测量信息建立系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的地球同步轨道星座定轨方法，具体包括以下几个步骤：步骤一：在集中式结构下，建立GSO星座定轨系统的状态方程；基于地球质心引力以及J2项、日月引力和太阳光压三种摄动力构成的轨道动力学模型建立系统状态方程；根据钟差和频差与距离之间的关系，将其转化为等效测距误差δltu和距离变化率误差δltru，建立星载GNSS接收机等效时钟误差的状态方程如下：δl·tu=δltru+wtuδl·tru=-1τtruδltru+wtru---(1)]]>式中，τtru为相关时间常数，wtu和wtru为零均值高斯白噪声；在地心直角惯性坐标系下，结合轨道动力学模型和接收机等效钟差模型，建立对星座中待测卫星j进行定轨的状态方程如下：X·j(t)=fj[Xj(t),t]+Wj(t)---(2)]]>式中，待测卫星j对应的状态向量为[xj,yj,zj]T和分别为该星的位置矢量和速度矢量，为该星载GNSS接收机的等效钟差和频差；fj为系统状态函数，Wj(t)为系统噪声，满足均值为零，方差为Qj(t)的高斯白噪声；式(2)进一步详细写为：x·jy·jz·jv·xjv·yjv·zjδl·tu,jδl·tru,j=vxjvyjvzja1xj+a2xj+a3xja1yj+a2yj+a3yja1zj+a2zj+a3zjδltru,j-1τtruδltru,j+wxjwyjwzjwvxjwvyjwvzjwtu,jwtru,j]]>其中，和为速度噪声分量，和是未建模的摄动加速度分量，wtu,j和wtru,j分别为等效钟差和频差噪声；设待测卫星j受到的地球引力、日月引力和太阳光压引起的加速度分别为a1,j、a2,j和a3，j，具体表达式如下：(1)卫星j的地球引力加速度a1,j中包含地球形状的J2摄动力，满足：a1,j=a1xja1yja1zj=-μxjre_sat,j3{1+3J22(Rere_sat,j)2[1-5(zjre_sat,j)2]}-μyjre_sat,j3{1+3J22(Rere_sat,j)2[1-5(zjre_sat,j)2]}-μzjre_sat,j3{1+3J22(Rere_sat,j)2[1-5(zjre_sat,j)2]}---(3)]]>式中，为待测卫星j的地心距，Re为地球赤道半径，J2为二阶带形谐系数，μ为地球质量与引力常数G的乘积，即地球引力常数；(2)日月引力引起的摄动加速度a2,j满足：a2,j=a2xja2yja2zj=GmS(xjre_Sun3)+Gmm(xjre_m3)GmS(yjre_Sun3)+Gmm(yjre_m3)GmS(zjre_Sun3)+Gmm(zjre_m3)---(4)]]>式中，re_Sun和re_m分别为地心到太阳和月球的距离，mm和mS分别为月球和太阳的质量，G为引力常数；(3)太阳光压引起的摄动加速度a3,j满足：a3,j=a3xja3yja3zj=PCrre_Sun2(Sjmsat,j)(xSun-xj)rsat,j_Sun3PCrre_Sun2(Sjmsat,j)(ySun-yj)rsat,j_Sun3PCrre_Sun2(Sjmsat,j)(zSun-zj)rsat,j_Sun3---(5)]]>式中，P为太阳光压强值；Cr＝1+ε为光压系数，ε＝0.2～0.9为卫星制造中典型材料的反射系数；Sj和msat,j分别为卫星j的截面积和质量；[xSun,ySun,zSun]T为在地心惯性系下的太阳位置矢量，rsat,j_Sun为卫星j到太阳的距离，设GSO星座由m颗GSO卫星组成，根据上述单颗卫星定轨的状态方程(2)，建立集中式结构的星座定轨状态方程如下：X·=F[X(t),t]+W(t)=f1(X1)...fj(Xj)...fm(Xm)+W1(t)...Wj(t)...Wm(t)---(6)]]>式中，为状态向量，这里Xj为待测卫星j对应的状态向量，j＝1,...,m；F为整个星座定轨系统的状态函数矢量；W(t)表示系统噪声，Wj(t)表示待测卫星j的系统噪声；步骤二：在集中式结构下，建立GSO星座定轨系统的测量方程；本专利技术采用地面站测量伪距、星载GNSS接收机测量伪距和伪距率、星间链路测量星间相...

【技术特征摘要】
1.一种基于地面站/星间链路/GNSS联合测量的地球同步轨道星座定轨方法，具体包括以下几个步骤：步骤一：在集中式结构下，建立GSO星座定轨系统的状态方程；基于地球质心引力以及J2项、日月引力和太阳光压三种摄动力构成的轨道动力学模型建立系统状态方程；根据钟差和频差与距离之间的关系，将其转化为等效测距误差δltu和距离变化率误差δltru，建立星载GNSS接收机等效时钟误差的状态方程如下：δl·tu=δltru+wtuδl·tru=-1τtruδltru+wtru---(1)]]>式中，τtru为相关时间常数，wtu和wtru为零均值高斯白噪声；在地心直角惯性坐标系下，结合轨道动力学模型和接收机等效钟差模型，建立对星座中待测卫星j进行定轨的状态方程如下：X·j(t)=fj[Xj(t),t]+Wj(t)---(2)]]>式中，待测卫星j对应的状态向量为[xj,yj,zj]T和分别为该星的位置矢量和速度矢量，为该星载GNSS接收机的等效钟差和频差；fj为系统状态函数，Wj(t)为系...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨静，张晓曼，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11