一种倒VLBI深空单向导航定位方法技术

一种倒VLBI深空单向导航定位方法。结合深空原子钟对相对于现有原子钟在深空测距、测速精度提升方面的优势，利用三个或三个以上地面深空站上行发射信号通过广播的方式为其覆盖范围内的深空探测器提供导航定位服务，深空探测器接收三个以上深空站的上行信号，充分利用三个以上深空站之间的基线信息，通过单向倒VLBI测角以及单向上行测距信息实现对其自身的在轨实时自主定位。最大限度利用深空原子钟的高稳定度和高准确度给单向远距离测距带来的优势，减小深空探测器对地面深空站的依赖。

An inverted VLBI deep space unidirectional navigation and positioning method

An inverted VLBI deep space unidirectional navigation and positioning method. Based on deep space atomic clock is compared with the existing atomic clock in deep space distance and velocity accuracy to improve the advantages of using three or more than three ground deep space station uplink signal by way of broadcasting for its coverage of the deep space probe range to provide navigation and positioning services, deep space detector receives more than three deep space uplink signal station, make full use of more than three deep space station between the baseline information, through the realization of its own real-time onboard autonomous positioning one-way inverted VLBI angle and one-way uplink ranging information. We must maximize the advantage of the high stability and high accuracy of deep space atomic clocks to the one-way long distance ranging, and reduce the dependence of deep space detectors on deep space stations.

【技术实现步骤摘要】
一种倒VLBI深空单向导航定位方法
本专利技术涉及一种倒VLBI深空单向导航定位方法，属于深空导航

技术介绍
深空探测器的导航定位是深空探测活动中最重要的技术之一。目前，几乎所有深空探测器的导航定位都依赖双向无线电测量，以获得发射站和探测器的距离及多普勒测量值。但是，随着探测器飞离地球的距离不断增大时，双程传播的延迟也随之不断增大，基于双向测量的深空导航定位不能满足实时性较高的深空探测任务要求，特别是探测器或航天员需要实时的位置信息以安全着陆到目的地时的导航任务。因此，通过在探测器上采集并处理来自地面发射站的单向无线电信号来实现其自主实时导航，对于执行时效性较强的深空探测任务具有重要价值和意义。目前的深空探测器上的时钟稳定度较差，在深空长距离、大时延的单向测量过程中，其测距和多普勒测量误差较大，故仅能采用双向测量对其实行导航定位。当前深空探测器的双向导航定位主要缺点包括以下方面：(1)深空双向导航定位模式下，对多个探测器提供导航需要采用时分的方式，当深空探测器的数量增多时，为每个探测器分配的时隙将会更小，不能满足未来多任务、多探测器深空导航的需要；(2)深空双向导航模式下，深空探测器不能利用与深空站的全部观测时段，由于信号双程传播时延的影响，其可用的观测数据仅为整个可观测时段的一半；(3)深空双向导航的跟踪处理时间延迟过长，不能满足深空探测器执行实时性要求较高任务的要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有手段的不足，提供一种倒VLBI深空单向导航定位方法。该方法利用多个深空站的基线信息，解决了基于单向测距体制进行远距离定位时DOP过大而引起的迭代不收敛、无法定位求解的问题，同时解决了深空双向导航时效性差的问题。本专利技术的技术方案是：一种倒VLBI深空单向导航定位方法，步骤如下：1)统一深空探测器与多个地面深空站的时空基准；深空探测器与多个地面深空站的时间基准统一采用标准时间，空间基准统一采用以地球为中心的地心地固坐标系；2)同步多个地面深空站间时钟；多个地面深空站之间采用卫星双向时间比对的方式，补偿深空站时钟的钟差，并将多地面深空站的时钟统一在标准时间上；3)多个地面深空站同步向服务区域播发上行测距信号；多个地面深空站根据深空探测器的初轨位置，同时向服务区域播发上行单向测距信号；4)深空探测器在轨计算得到差分单程测距DOR观测值；深空探测器采用同步测量方式，根据多个地面深空站的上行单向测距值，计算不同地面深空站之间的差分单程测距DOR观测值；5)深空探测器在轨计算差分单程测距DOR对应的基线信息；深空探测器从上行信号电文中提取差分单程测距DOR对应的地面深空站的位置坐标，计算与该差分单程测距DOR对应的基线信息，所述基线信息为两个地面深空站之间的三维坐标差；6)计算得到深空探测器赤经和赤纬的初始值；根据深空探测器的预设轨道位置信息计算获得深空探测器赤经和赤纬的初始值；7)迭代求解深空探测器赤经赤纬；利用深空探测器赤经和赤纬的初始值、多条基线矢量、以及其差分单程测距DOR测量值，迭代对深空探测器赤经赤纬进行求解；8)判断迭代的收敛性；当赤经、赤纬的迭代步长绝对值0Δα|、|Δδ|均小于迭代收敛阈值ε时，判定迭代收敛，输出迭代收敛时深空探测器赤经赤纬；迭代收敛后，将深空探测器当前所在的赤经、赤纬定位结果输出。所述标准时间为UTC时间。所述地面深空站的个数n大于等于3。所述步骤4)中深空探测器在轨计算差分单程测距DOR观测值的具体方法为：深空探测器接收n个地面深空站的上行测距信号，获得n-1条基线对应的两两地面深空站之间干涉测量时延DOR：DORij＝Rj-Ri+εij,i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,n；且i≠j；其中Ri、Rj为对应的任意两个地面深空站的单向上行测距值，εij是测量噪声。所述步骤5)中深空探测器在轨计算差分单程测距DOR对应的基线信息的具体过程为：在上行测距信号的电文中获取n-1条基线信息BijBij＝rj-ri；其中ri是第i个地面深空站的位置矢量；ri在柱坐标下表示为ri＝[ricosλi,risinλi,zi]T,i＝1,2,...,n，其中Re是地球半径，是第i个发射站所在的纬度，λi是第i个发射站所在的纬度；则Bij进一步表示为λBij＝arctan2[(rjsinλj-risinλi)/(rjcosλj-ricosλi)]，zBij＝zj-zi。所述步骤7)中迭代求解深空探测器赤经赤纬的具体过程为：深空航天器的方向矢量a由深空航天器在天体坐标系下的赤经α和赤纬δ表示为a＝[cosδcosα,cosδsinα,sinδ]T，将上行差分单程测距DOR测量值表示为关于赤经α和赤纬δ的函数其中βBij＝λBij-α，根据步骤6)得到的赤经α和赤纬δ的初始值α0和δ0，通过迭代的方式计算得到赤经α和赤纬δ的估计值，迭代公式为：δ＝δ+Δδ，α＝α+Δα，其中Δα和Δδ分别为赤经α和赤纬δ的迭代步长。所述赤经α和赤纬δ的迭代步长Δα和Δδ按下式计算：本专利技术与现有技术相比的优点在于：1)该方法考虑未来深空原子钟在稳定度和准确度方面性能的提升，结合深空原子钟对相对于现有原子钟在深空测距、测速精度提升方面的优势，利用三个或三个以上地面深空站上行发射信号通过广播的方式为其覆盖范围内的深空探测器提供导航定位服务，深空探测器接收三个以上深空站的上行信号，充分利用三个以上深空站之间的基线信息，通过单向倒VLBI测角以及单向上行测距信息实现对其自身的在轨实时自主定位。最大限度利用深空原子钟的高稳定度和高准确度给单向远距离测距带来的优势，减小深空探测器对地面深空站的依赖。利用多个深空站的基线信息，解决了基于单向测距体制进行远距离定位时DOP过大而引起的迭代不收敛、无法定位求解的问题，同时解决了深空双向导航时效性差的问题。1)本专利技术采用了基于深空原子钟的单向高精度测距以及倒VLBI单向测角手段，可实现其覆盖区域内的多个深空探测器的在轨实时导航定位，能满足未来多任务、多探测器深空导航的需要；2)本专利技术方法无双程信号传播时延，深空探测器可利用与深空站的全部观测时段的测量数据；3)本专利技术深空单向导航定位方法，相比于现有双向导航定位法，具有实时性和自主性，能满足深空探测器在轨道入轨，着陆等对实时性要求较高的场合的应用需求。附图说明图1是本专利技术的深空单向导航方法方案；图2是本专利技术深空探测器深空单向导航定位流程图；图3是本专利技术实施例中深空探测器的赤纬收敛结果；图4是本专利技术实施例中深空探测器的赤经收敛结果；图5是本专利技术实施例中DOR测量精度对深空探测器测角精度的影响。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，本专利技术方法需要三个以上的深空站播发上行信号，以下以三个深空站为例，具体说明利用本专利技术系统对深空探测器进行导航定位的具体实施步骤：步骤1，统一深空探测器与多个地面深空站的时空基准。统一深空探测器与多个地面深空站的时间基准在UTC时间，空间基准在以地球为中心的地心地固坐标系。步骤2，同步多个地面深空站间时钟。多个地面深空站之间采用卫星双向时间比对的方式，补偿深空站时钟的钟差，并将两个深空站的时钟统一在UTC时间或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种倒VLBI深空单向导航定位方法，其特征在于步骤如下：1)统一深空探测器与多个地面深空站的时空基准；2)同步多个地面深空站间时钟；3)多个地面深空站同步向服务区域播发上行测距信号；4)深空探测器在轨计算得到差分单程测距DOR观测值；5)深空探测器在轨计算得到差分单程测距DOR对应的基线信息；6)计算得到深空探测器赤经和赤纬的初始值；7)迭代求解深空探测器赤经赤纬；8)判断迭代的收敛性并输出定位结果。

【技术特征摘要】
1.一种倒VLBI深空单向导航定位方法，其特征在于步骤如下：1)统一深空探测器与多个地面深空站的时空基准；2)同步多个地面深空站间时钟；3)多个地面深空站同步向服务区域播发上行测距信号；4)深空探测器在轨计算得到差分单程测距DOR观测值；5)深空探测器在轨计算得到差分单程测距DOR对应的基线信息；6)计算得到深空探测器赤经和赤纬的初始值；7)迭代求解深空探测器赤经赤纬；8)判断迭代的收敛性并输出定位结果。2.根据权利要求1所述的一种倒VLBI深空单向导航定位方法，其特征在于：所述标准时间为UTC时间。3.根据权利要求1所述的一种倒VLBI深空单向导航定位方法，其特征在于：所述地面深空站的个数n大于等于3。4.根据权利要求3所述的一种倒VLBI深空单向导航定位方法，其特征在于：所述步骤4)中深空探测器在轨计算差分单程测距DOR观测值的具体方法为：深空探测器接收n个地面深空站的上行测距信号，获得n-1条基线对应的两两地面深空站之间干涉测量时延DOR：DORij＝Rj-Ri+εij,i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,n；且i≠j；其中Ri、Rj为对应的任意两个地面深空站的单向上行测距值，εij是测量噪声。5.根据权利要求4所述的一种倒VLBI深空单向导航定位方法，其特征在于：所述步骤5)中深空探测器在轨计算差分单程测距DOR对应的基线信息的具体过程为：在上行测距信号的电文中获取n-1条基线信息BijBij＝rj-ri；其中ri是第i个地面深空站的位置矢量；ri在柱坐标下表示为ri＝[ricosλi,risinλi,zi]T,i＝1,2,...,n，其中Re是地球半径，是第i个发射站所在的纬度，λi是第i个发射站所在的纬度；则Bij进一步表示为λBij＝arctan2[(rjsinλj-risinλi)/(rjcosλj-ricosλi)]，zBij＝zj-zi。6.根据权利要求5所述的一种倒VLBI深空单向导航定位方法，其特征在于：所述步骤7)中迭代求解深空探测器赤经赤纬的具体过程为：深空航天器的方向矢量a由深空航天器在天体坐标系下的赤经α和赤纬δ表示为a＝[cosδcosα,cosδsinα,sinδ]T，将上行差分单程测距DOR测量值表示为关于赤经α和赤纬δ的函数

【专利技术属性】
技术研发人员：沈大海，蒙艳松，雷文英，同钊，严涛，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61