基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统和方法技术方案

基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统和方法，涉及卫星编队相对导航技术领域。系统由GPS接收机模块、星间测距模块、相对导航模块组成；星间测距模块由两个RF传感器组成，使用复合伪码结合双频双程转发测距体制获取星间测距伪码和载波相位观测量；相对导航模块由定轨模块、星间测距解算模块、组合导航模块组成，通过使用GPS接收机模块和星间测距模块获取的观测数据以扩展卡尔曼滤波方法解算出星间相对距离、速度数据。本发明专利技术适用于星间距离在0～30Km的星间编队，相对于单纯基于差分GPS的相对导航系统，实时相对导航精度优于1mm；系统在GPS信号中断时仍可连续输出满足要求的相对位置、速度数据；系统初始化时间由GPS差分相对导航系统的几十个历元降低到单点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星编队相对导航
，特别涉及一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统和方法。
技术介绍
微小卫星编队卫星间的相对导航是编队协同工作的基础，相对导航精度的高低决定了编队能达到的应用水平。基于差分GPS的相对导航系统是目前卫星编队导航的主要手段，具有代表性的应用包括：2002年发射的GRACE双星编队，地面事后处理的星间基线确定精度达到了mm级；2010年发射的PRISMA双星编队，GPS实时相对导航精度达到cm级，事后处理可以达到亚cm级；2014发射的加拿大CanX-4/CanX-5双星编队是由两颗仅重6.85kg的纳卫星组成，GPS相对导航精度优于10cm。然而单纯基于差分GPS(CDGPS)的编队导航技术存在一些突出的问题：(1)连续导航能力受限，编队卫星由于共视GPS卫星不足、编队任务中实施机动等原因造成无法获取足够多的GPS观测量，而仅依靠轨道动力学模型进行推算，1分钟后误差就已比较明显。(2)导航精度受限，地面事后处理已达到mm级的精度极限，而实时导航精度一般只能达到cm级。(3)导航实时性受限，编队初始化或观测数据中断再恢复后的重新初始化过程往往需要几十个历元。在编队中增加星间自主射频(RF)测量传感器获取星间测距数据，从而形成组合相对导航系统，是克服单纯基于差分GPS导航系统缺陷的有效途径。由于星间测量在编队内完成，信号连续性容易保证，将此传感器测量与GPS测量相结合，可明显提升连续导航能力和系统鲁棒性。同时，由于一般编队的星间距离相对较短(一般为数米到数百公里)，星间测量可以获得比GPS信号好得多的信噪比条件，测量精度提升空间很大，两种测量的组合可突破纯GPS导航系统的精度极限，而且由于单点测量的精度就可以达到较高水平，导航实时性可得到有效提高。而在RF传感器的应用方面，GRACE/GRAIL卫星编队的KBR(K Band Ranging)系统可以达到μm级的星间自主测量精度，代表了目前无线电测量技术的最高水平。但KBR系统存在一些难以改进的问题，其本质上只是一种距离变化的测量方法，无法实时给出编队卫星间的相对距离数据，因此无法将KBR数据应用于辅助CDGPS相对导航，同时其系统复杂，难以应用在微小卫星上。
技术实现思路
基于上述，本专利技术提供了一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统和方法，相对于仅仅应用差分GPS的相对导航系统，该相对导航系统和方法在导航精度、实时性、连续性上具有显著性的提高。一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统，包括GPS接收机模块、星间测距模块以及相对导航模块；星间测距模块兼具星间通信和测距功能，由主星RF传感器和从星RF传感器组成，接收和发送测距信号；GPS接收机模块由主星GPS接收机和从星GPS接收机组成，主星GPS接收机和从星GPS接收机工作于L1和L2频点，接收GPS导航卫星信号，获取观测数据、导航电文数据；主星GPS接收机获取的GPS观测数据、导航电文数据通过星内接口传送给实时定轨模块和组合导航模块。从星GPS接收机获取的GPS观测数据、导航电文数据通过星间测距模块传送给主星相对导航模块。相对导航模块由实时定轨模块、星间测距解算模块以及组合导航模块组成，所述的实时定轨模块，用于接收主星GPS接收机传送的GPS观测数据、导航电文数据，并使用扩展卡尔曼滤波方法实时解算出主星位置、速度数据并提供给组合导航模块；所述的星间测距解算模块，使用星间测距模块获取的星间测距伪码和载波相位观测数据通过卡尔曼滤波方法解算出星间相对距离数据，并传送给组合导航模块；所述的组合导航模块，根据实时定轨模块、星间测距解算模块分别提供的主星位置、速度数据和星间相对距离数据，通过扩展卡尔曼滤波方法实时解算出星间相对距离、速度数据。所述的RF传感器包括发射天线、接收天线、数据处理模块以及相应的信号输入、输出接口。RF传感器采用复合伪码结合双频双程转发测距体制，以获取星间测距伪码和载波相位观测量。所述星间测距模块具有星间通信功能以传送从星GPS接收数据。所述相对导航模块包括实时定轨模块、星间测距解算模块、组合导航模块。所述的实时定轨模块，用于接收主星GPS接收机传送的GPS观测数据、导航电文数据，并使用扩展卡尔曼滤波方法实时解算出主星位置、速度数据并提供给组合导航模块。所述的星间测距解算模块，使用星间测距模块获取的星间测距伪码和载波相位观测数据通过卡尔曼滤波方法解算出星间相对距离数据，并传送给组合导航模块。所述的组合导航模块，根据实时定轨模块、星间测距解算模块分别提供的主星位置、速度数据和星间相对距离数据，通过扩展卡尔曼滤波方法实时解算出星间相对距离、速度数据。一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统的相对导航方法，包括如下步骤：步骤1，星间测距模块中主星RF传感器向从星RF传感器发射星间测距信号，从星RF传感器按固定转发比转发接收到的测距信号，主星RF传感器接收从星RF传感器转发的测距信号，并提取星间测距伪码和载波相位观测量；步骤2，GPS接收机模块中从星GPS接收机接收GPS信号获取GPS伪距和载波相位观测量，并通过星间测距环路发送给主星，主星GPS接收机接收GPS信号获取GPS伪距、载波相位观测量以及GPS导航电文；步骤3，主星根据步骤1中得到的星间测距伪距和载波相位观测量，通过星间测距解算模块以卡尔曼滤波方法解算出编队卫星相对距离数据，并传送至组合导航模块；步骤4，主星根据步骤2中主星GPS接收机得到的GPS伪距、载波相位观测量以及GPS导航电文，通过实时定轨模块以扩展卡尔曼滤波方法解算出主星绝对位置和主星速度数据，并传送至组合导航模块；步骤5，主星根据编队卫星相对距离数据、GPS伪距、载波相位观测量以及GPS导航电文、主星绝对位置以及主星速度数据，通过组合导航模块以扩展卡尔曼滤波方法解算得编队卫星间相对位置和编队卫星速度数据。在步骤1中，所述的测距信号由复合伪码调相S/C波段双频载波组成，而复合伪码由多个子测距码组合而成；从星端对复合伪码的处理方式采用再生伪码和转发伪码两种，高信噪比时采用转发伪码方式，低信噪比时采用再生伪码方式。在步骤2中，主星和从星采用相同的双频GPS接收机。本专利技术还提供了一种针对基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航的系统和方法性能进行分析和评价的方法：进行对比分析和评价该相对导航系统与方法性能的数据来源分为两种，一种是GRACE卫星编队GPS和星间测距在轨数据，另一种是GPS模拟器仿真数据。(1)利用GRACE卫星编队GPS和星间测距在轨数据进行对比分析该相对导航系统和方法的性能根据步骤1～4进行仿真验证，GPS数据使用GRACE卫星编队的在轨GPS观测数据和广播星历数据，星间测距数据由在轨KBR数据加噪声得到，KBR数据所加噪声为高斯白噪声，用于模拟星间测距数据的误差，由于KBR数据中存在着一个固定的模糊度(载波相位未发生周跳)，采用下述公式求解出KBR数据中固定模糊度BKBR， B K B R = 1 n Σ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统，由星间测距模块、GPS接收机模块以及相对导航模块组成；星间测距模块兼具星间通信和测距功能，由主星RF传感器和从星RF传感器组成，接收和发送测距信号；GPS接收机模块由主星GPS接收机和从星GPS接收机组成，主星GPS接收机和从星GPS接收机工作于L1和L2频点，接收GPS导航卫星信号，获取观测数据、导航电文数据；相对导航模块由实时定轨模块、星间测距解算模块以及组合导航模块组成，所述的实时定轨模块，用于接收主星GPS接收机传送的GPS观测数据、导航电文数据，并使用扩展卡尔曼滤波方法实时解算出主星位置、速度数据并提供给组合导航模块；所述的星间测距解算模块，使用星间测距模块获取的星间测距伪码和载波相位观测数据通过卡尔曼滤波方法解算出星间相对距离数据，并传送给组合导航模块；所述的组合导航模块，根据实时定轨模块、星间测距解算模块分别提供的主星位置、速度数据和星间相对距离数据，通过扩展卡尔曼滤波方法实时解算出星间相对距离、速度数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统，由星间测距模块、GPS接收机模块以及相对导航模块组成；星间测距模块兼具星间通信和测距功能，由主星RF传感器和从星RF传感器组成，接收和发送测距信号；GPS接收机模块由主星GPS接收机和从星GPS接收机组成，主星GPS接收机和从星GPS接收机工作于L1和L2频点，接收GPS导航卫星信号，获取观测数据、导航电文数据；相对导航模块由实时定轨模块、星间测距解算模块以及组合导航模块组成，所述的实时定轨模块，用于接收主星GPS接收机传送的GPS观测数据、导航电文数据，并使用扩展卡尔曼滤波方法实时解算出主星位置、速度数据并提供给组合导航模块；所述的星间测距解算模块，使用星间测距模块获取的星间测距伪码和载波相位观测数据通过卡尔曼滤波方法解算出星间相对距离数据，并传送给组合导航模块；所述的组合导航模块，根据实时定轨模块、星间测距解算模块分别提供的主星位置、速度数据和星间相对距离数据，通过扩展卡尔曼滤波方法实时解算出星间相对距离、速度数据。2.如权利要求1所述的基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统，其特征在于，所述的RF传感器包括发射天线、接收天线、数据处理模块以及相应的信号输入、输出接口，RF传感器采用复合伪码结合双频双程转发测距体制。3.如权利要求1所述的基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航系统的相对导航方法，具体包括如下步骤：步骤1，星间测距模块中主星RF传感器向从星RF传感器发射星间测距信号，从星RF传感器按固定转发比转发接收到的测距信号，主星RF传感器接收从星RF传感器转发的测距信号，并提取星间测距伪码和载波相位观测量；步骤2，GPS接收机模块中从星GPS接收机接收GPS信号获取GPS伪距和载波相位观测量，并通过星...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，金小军，杜耀珂，李东俊，徐兆斌，金仲和，孟泽民，
申请(专利权)人：浙江大学，上海航天控制技术研究所，航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33