基于脉冲星的导航星座时间同步和定向参数测量方法技术

本发明专利技术提供了一种基于脉冲星的导航星座时间同步和定向参数测量方法，首先定义导航星座定向参数，然后采用单站观测法在选定的一颗导航卫星上观测X射线脉冲星，测量星座定向参数进行时间同步，或采用较差观测法在选定的两颗卫星上同时观测同一颗脉冲星或者任何X射线变源，测量星座定向参数。本发明专利技术能利用阶段性测量得到的导航星座定向参数和平均时间偏差，修正星间链路导航结果，从而实现导航星座卫星的长期自主导航。

【技术实现步骤摘要】
基于脉冲星的导航星座时间同步和定向参数测量方法
本专利技术涉及一种导航卫星星座时间同步和空间定向参数测量方法，适用于导航卫星自主导航领域。
技术介绍
为增强GNSS的自主导航能力，国际上开展了大量研究工作，先后提出了不同的技术和方法，对有关技术进行了实验研究。研究表明，星间链路导航技术是一种实现GNSS自主导航的可行方法。基于星间链路的自主导航是指导航星座卫星在长期得不到地面测控系统支持情况下，通过星间双向测距、数据交换以及星载处理器滤波处理，不断修正地面站注入的卫星长期预报星历及时钟参数，并自主生成导航电文，满足用户高精度导航定位应用需求的实现过程。星间链路测量，能实现星座内部卫星间的相对距离和相对钟差的测量，利用星间观测进行整网定位是一个无外部基准的测量过程。单独利用星间链路导航技术，能在许可的导航误差限度内实现短期自主导航，仍然不能实现真正意义的长期自主导航。在长期没有地面运控系统支持的情况下，星间链路自主导航技术只能够保持星座的基本构形和星座内部平均时间。由于星间链路自主导航技术没有外部基准作参考，星座整体相对于惯性参考架存在着缓慢旋转，星座平均时间存在着长期漂移。星座整体的缓慢旋转和星座平均时间的长期累积误差，单靠星间链路导航技术本身是无法测量的，需要依赖导航星座外部的参考基准。脉冲星时空参考架作为惯性参考基准，可以用来测量导航星座相对于脉冲星空间参考架的缓慢旋转和导航星座平均时间相对于脉冲星时间的长期漂移。目前，还没有见到有关该方面测量技术方法的任何文献。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种在应用星间链路导航技术情况下，以脉冲星时空参考架为参考基准，测量导航星座整体旋转(导航星座的旋转参数，也称为定向参数)和实现导航星座时间同步(测量导航星座平均时间偏差)的方法。导航星座空间定向参数定义为星间链路导航参考架相对于脉冲星惯性参考架的三个旋转参数；导航星座平均时间偏差定义为星间链路导航确定的导航星座平均时间相对于脉冲星时间的偏差。我们提出了两种不同的导航星座时间同步和定向参数测量方法，即，单站观测法和较差观测法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：1.导航星座定向参数定义设导航卫星在地心参考系的位置矢量表示为由星间链路导航提供的同一颗导航卫星同一时刻地心参考系的位置矢量表示为其中，α、β、γ为星间链路导航参考架相对于脉冲星惯性参考架的旋转参数；2.导航星座定向参数测量和时间同步方法(1)单站观测法测量星座定向参数和时间同步方法所述的单站观测法是在选定的一颗导航卫星上观测X射线脉冲星，单站观测法的误差观测方程为代入方程组能够求解平均观测历元导航星座定向参数、平均时间偏差及其随时间的变化率；其中，太阳系质心参考系内，导航卫星相对于太阳系质心的位置矢量是的近似值是tp是脉冲星脉冲发射时刻，c是光速，tpobs是观测得到的脉冲星脉冲发射时刻，是脉冲星在太阳系质心参考系单位矢量，是脉冲星空间运动速度，Δt是观测时刻与脉冲星星历参考历元的差值，R0是星历参考历元脉冲星相对太阳系质心的距离，PBSS是太阳系主要天体数，G是牛顿引力常数，Mk是第k个太阳系天体质量，是卫星相对第k个太阳系天体的矢量，rk是的模；(2)较差观测法测量星座定向参数方法较差观测法是在选定的两颗卫星上同时观测同一颗脉冲星或者任何X射线变源，较差法的定向参数观测方程如下：其中，卫星i和卫星j观测得到的同一颗脉冲星或X射线变源信号发射时刻之差是Δtpij，利用多次观测的结果采用最小二乘法求解星座定向参数。本专利技术的有益效果是：可以应用于星间链路导航情况下，导航星座空间定向参数和平均时间偏差测量。利用阶段性测量得到的导航星座定向参数和平均时间偏差，修正星间链路导航结果，从而实现导航星座卫星的长期自主导航。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术提出了两种不同的导航星座时间同步和定向参数测量方法，即，单站观测法和较差观测法。(1)单站观测法所谓单站观测法是在选定的一颗导航卫星上观测X射线脉冲星。其最简单形式是安装一个X射线探测系统，采用每次观测一颗X射线脉冲星工作方式，按照预先设计好的程序，依次观测多颗均匀分布于天空的X射线脉冲星。基于脉冲星自主导航测量模型建立脉冲星观测方程。因为星间链路导航确定的导航卫星轨道位置和星座平均时间是已知量，其轨道位置误差和平均时间偏差是脉冲星观测方程的待求未知量。而星间链路导航确定的导航卫星轨道位置相对于脉冲星观测确定的轨道位置之差，又是导航星座三个定向参数的线性函数，因此，脉冲星观测方程的实际待求未知量是导航星座三个定向参数和平均时间偏差。由于导航星座定向参数和平均时间偏差都是缓慢小量，利用在一定时间(例如10天)段内，多次多颗脉冲星观测，采用最小二乘法求解三个定向参数和平均时间偏差。利用更长时间段(如30天以上)的大量观测还可以同时确定平均观测历元的星座定向参数和平均时间偏差以及它们的时间导数。利用阶段性地测量得到的星座定向参数和时间偏差，修正星间链路导航确定的导航卫星轨道位置和时间，实现导航卫星的长期自主导航。如果在一颗卫星上能够安装两个X射线探测器，或者同时在多颗导航星座卫星上观测X射线脉冲星，更有利于提高星座定向参数和平均时间偏差测量精度。单站观测法同样适用于多探测器和多颗卫星同时测量的工作模式。(2)较差观测法较差法是在两颗导航卫星上同时观测同一颗脉冲星，由于导航卫星通过星间链路导航实现时间同步，观测得到的同一脉冲星同一脉冲到达两颗卫星的时间差(DTOA)，能够表示成导航星座定向参数的函数。利用多颗脉冲星多次观测得到的DTOA，采用最小二乘法可以解算平均观测时刻的星座定向参数。由于同时在两颗卫星上较差观测，利用单站法误差观测方程，可以直接写出利用较差法测量定向参数的观测方程。较差法消去了卫星的时间参数，因此，不能够给出导航星座的平均时间偏差测量结果。较差法测量星座定向参数也可以观测辐射信号较强的其它X射线变源，由于辐射信号强，能够提高观测信噪比。显然，在间距(基线)较长的两颗卫星上应用较差法观测，有利于提高定向参数测量精度。较差法观测必须包括一颗自转稳定的脉冲星，称作定时星，用于测量导航星座平均时间偏差。利用较差观测法确定的星座定向参数，修正星间链路导航提供的卫星轨道位置后，利用定时星的观测确定星座平均时间偏差。同样地，较差观测法也适用于多个探测器、多个卫星对的较差观测模式，更有利于提高测量精度。本专利技术包括以下步骤：1.导航星座定向参数定义采用星间链路导航技术保持的导航星座参考架相对于惯性参考架的整体旋转，可以直接用星间链路导航参考架相对于脉冲星惯性参考架的旋转参数来描述。假设导航卫星在地心参考系的位置矢量表示为是参考脉冲星惯性参考架测得的位置矢量。由星间链路导航提供的同一颗导航卫星同一时刻地心参考系的位置矢量表示为则有式(1)中α、β、γ是星间链路导航参考架相对于脉冲星惯性参考架的三个旋转角。令R(α,β,γ)＝Rx(α)·Ry(β)·Rz(γ)(2)因α、β、γ是缓变小量，有利用级数展开，忽略高阶项，有将式(3)代入(1)有公式(3)和(4)中α、β、γ定义为星间链路导航参考架相对于脉冲星惯性参考架的旋转参数，三者的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脉冲星的导航星座时间同步和定向参数测量方法，其特征在于包括下述步骤：1)导航星座定向参数定义设导航卫星在地心参考系的位置矢量表示为r→S=XYZT,]]>由星间链路导航提供的同一颗导航卫星同一时刻地心参考系的位置矢量表示为r→~S=xyzT,]]>XYZ=1γ-β-γ1αβ-α1xyz]]>其中，α、β、γ为星间链路导航参考架相对于脉冲星惯性参考架的旋转参数；2)导航星座定向参数测量和时间同步方法2.1)单站观测法测量星座定向参数和时间同步方法所述的单站观测法是在选定的一颗导航卫星上观测X射线脉冲星，单站观测法的误差观测方程为ctp-ctpobs=cδt+[n^-1R0r→~+1R0(n^·r→~)n^+1R0V→Δt-1R0(n^·V→Δt)n^+1cv→E+Σk=1PBSS(2GMkc2·n^+r→~kr~kn^·r→~k+r~k)]T[1γ-β-γ1αβ-α1xyz-xyz]]]>代入方程组δt=δt0(t0)+δt·(t-t0)α=α0(t0)+α·(t-t0)β=β0(t0)+β·(t-t0)γ=γ0(t0)+γ·(t-t0),]]>能够求解平均观测历元导航星座定向参数、平均时间偏差及其随时间的变化率；其中，太阳系质心参考系内，导航卫星相对于太阳系质心的位置矢量是的近似值是tp是脉冲星脉冲发射时刻，c是光速，tpobs是观测得到的脉冲星脉冲发射时刻，是脉冲星在太阳系质心参考系单位矢量，是脉冲星空间运动速度，Δt是观测时刻与脉冲星星历参考历元的差值，R0是星历参考历元脉冲星相对太阳系质心的距离，PBSS是太阳系主要天体数，G是牛顿引力常数，Mk是第k个太阳系天体质量，是卫星相对第k个太阳系天体的矢量，rk是的模；2.2)较差观测法测量星座定向参数方法较差观测法是在选定的两颗卫星上同时观测同一颗脉冲星或者任何X射线变源，较差法的定向参数观测方程如下：cΔtpij=[n^-1R0r→~+1R0(n^·r→~)n^+1R0V→Δt-1R0(n^·V→Δt)n^+1cv→E+Σk=1PBSS(2GMkc2·n^+r→~kr~kn^·r→~k+r~k)]jT[1γ-β-γ1αβ-α1xyz-xyz]j-[n^-1R0r→~+1R0(n^·r→~)n^+1R0V→Δt-1R0(n^·V→Δt)n^+1cv→E+Σk=1PBSS(2GMkc2·n^+r→~kr~kn^·r→~k+r~k)]iT[1γ-β-γ1αβ-α1xyz-xyz]i]]>其中，卫星i和卫星j观测得到的同一颗脉冲星或X射线变源信号发射时刻之差是Δtpij，利用多次观测的结果采用最小二乘法求解星座定向参数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲星的导航星座时间同步和定向参数测量方法，其特征在于包括下述步骤：1)导航星座定向参数定义设导航卫星在地心参考系的位置矢量表示为由星间链路导航提供的同一颗导航卫星同一时刻地心参考系的位置矢量表示为其中，α、β、γ为星间链路导航参考架相对于脉冲星惯性参考架的旋转参数；2)导航星座定向参数测量和时间同步方法2.1)单站观测法测量星座定向参数和时间同步方法所述的单站观测法是在选定的一颗导航卫星上观测X射线脉冲星，单站观测法的误差观测方程为代入方程组能够求解平均观测历元导航星座定向参数、平均时间偏差及其随时间的变化率；其中，太阳系质心参考系内，导航卫星相...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨廷高，高玉平，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西;61