一种适用于自组织星座的星座导航方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于自组织星座的星座导航方法，属于星座导航的技术领域。针对自组织星座无法在卫星运行过程中不间断实施星间通信的问题，利用星座中的单星自主导航和间断性的星间测量信息融合技术，对自组织星座进行自主导航，提高了星座的导航精度，减少了导航过程中的计算量，解决了自组织星座受卫星轨道不规则约束导致的导航受限问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种适用于自组织星座的星座导航方法，属于星座导航的

技术介绍
自组织星座的概念是相对于传统卫星星座提出的。传统卫星星座通常由运载火箭将星座中的每一颗卫星送至预定位置。因此，发射传统卫星星座需要专用运载火箭，费用昂贵。自组织星座的部署不采用专用运载火箭，而是采用搭载等方式将卫星送入到与主任务卫星相似的轨道，从而构成星座。卫星的自主导航研究在不依赖地面站的条件下仅依靠卫星上的测量设备实时确定卫星的位置和速度、在轨完成飞行任务。根据所采用的敏感器与测量信息的不同，卫星自主导航手段也不同，目前应用较多的卫星自主导航技术有基于磁强计、雷达高度计、星敏感器、紫外敏感器、GPS等的自主导航技术。目前的星座自主导航研究是在单星自主导航的基础上，基于传统星座构型研究星座的星间双向测距、数据交换及处理等技术。自组织星座中卫星必须适应主星的发射条件和运行轨道，星座卫星的轨道不规则，使得自组织星座的构型存在不稳定性，针对规则传统星座的星间测距和数据通信等方法无法在自组织星座中卫星运行的过程中不间断实施。研究表明仅利用单星自主导航不足以维持自组织星座的性能要求，而自组织星座的轨道特殊性又不允许对整个星座实施不间断的星间通讯链路。针对这一问题，本申请旨在提出一种能够适应自组织星座导航精度需求且能够实现整个星座不间断通信的导航方法。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供了一种适用于自组织星座的星座导航方法，实现了自组织星座导航并提高了导航精度，解决了自组织星座受卫星轨道不规则约束的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：一种适用于自组织星座的星座导航方法，包括如下步骤：A、根据各颗卫星的运行轨道计算自组织星座的星座周期；B、对每颗卫星进行单星导航；C、为每颗卫星及其可见卫星选取星间通讯卫星以及星间通讯时刻；D、在卫星运行到星间通讯时刻时与其星间通讯卫星传输星间测量信息以及单星导航信息；E、融合处理整个星座的所有星间测量信息以及单星导航信息。作为所述适用于自组织星座的星座导航方法的进一步优化方案，步骤A所述根据各颗卫星的运行轨道计算自组织星座的星座周期，具体方法为：观测卫星运行轨道，将具有相同或极为相似运行轨道的卫星划分为一组并对每组卫星中的各颗卫星进行标记，以各组卫星周期的最小公倍数为自组织星座的星座周期。进一步的，所述适用于自组织星座的星座导航方法中，步骤B采用基于磁强计的磁导航方法对每颗卫星进行单星导航，滤波方式通过自适应扩展卡尔曼滤波算法实现，实时估计方差为：其中，k表示测量时刻，k通过滑动数据窗口长度W度量，dk是k时刻滤波器实际观测值和k-1时刻对k时刻预测的观测值之差，i＝k-W+1，di是i时刻滤波器实际观测值和i-1时刻对i时刻预测的观测值之差，分别为滑动数据窗口长度为k-1、k时的估计方差。作为所述适用于自组织星座的星座导航方法的进一步优化方案，步骤C采用运筹学的动态规划思想为每颗卫星及其可见卫星选取星间通讯卫星以及星间通讯时刻，具体为：C1、依据每颗卫星及其与可见星距离最近的时刻，对整个星座周期进行节点划分并标注各节点；C2、按照卫星可见星的数目排列各卫星，以可见星数目最少的卫星为第一级星间通信卫星；C3、依据优先选取与上一级星间通信卫星可见频率最低的卫星作为下一级星间通信卫星的原则，从第一级卫星开始选取各级星间通信卫星以构建星间通讯环路，每一级星间通讯卫星与上一级星间通讯卫星的通讯时刻为当前级别星间通讯卫星与上一级星间通讯卫星第一次距离最近的时刻，当下级星间通讯卫星与上级星间通讯卫星重复或有多个星间通讯环路时，选取与上一级星间通信卫星可见频率次低的卫星作为下一级星间通信卫星。作为所述适用于自组织星座的星座导航方法的进一步优化方案，步骤D中所述的星间测量信息包括距离测量值和钟差测量值。作为所述适用于自组织星座的星座导航方法的进一步优化方案，步骤E采用自适应扩展卡尔曼滤波算法融合处理整个星座的所有星间测量信息以及单星导航信息。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)利用基于磁强计的磁导航技术对卫星进行导航，采用自适应扩展卡尔曼滤波方式，提高了卫星的导航精度；(2)利用运筹学中动态规划理论对星座中的卫星进行星间测量时刻的选取以及测量信息卫星的选取，有一劳永逸的效果，在每颗卫星完成自身自主导航的同时，间断性地进行星间数据测量及信息交换，克服了自组织星座卫星轨道不规则的障碍；(3)本专利技术在实现自组织星座导航的同时，提高了导航精度、减少了整体导航计算量，为自组织星座运行性能提供了很好的保障。附图说明图1为本专利技术流程图。图2为单星导航的导航方式。图3为星间测距的卫星顺序选取方法。具体实施方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。由于自组织星座构型存在不稳定性，针对传统规则星座的星间测距和数据通信等方法无法在自组织星座中卫星运行的过程中不间断实施。为了解决上述问题，本专利技术提出“单星自主导航+间断性星间测量信息融合技术”的方案对自组织星座进行自主导航。采用基于磁强计的磁导航方法对单星进行自主定轨；通过动态规划的方式选择星间测量数据的卫星以及间断性测量信息的时刻；采用扩展卡尔曼滤波算法融合导航信息和星间测量信息，实现自组织星座的长期自主导航。本文提出的一种适用于自组织星座的星座导航方法，如图1所示，步骤如下：(1)观测卫星的运行轨道，根据卫星的轨道周期以及运行轨道对星座中的卫星进行标记，标记自组织星座中的卫星分别为：A1,A2,…An；B1,B2,…；C1…，其中，卫星x1,x2,…xn有着相同或者极为相似的运行轨道，x为A,B,C…，对自组织星座中卫星的周期大小进行计算，将所有卫星周期的最小公倍周期作为自组织星座的星座周期，记为T。(2)对星座中的每颗卫星采用基于磁强计的磁导航方法进行单星导航，滤波方式为自适应扩展卡尔曼滤波(自适应EKF算法)，整个单星导航的流程如图2所示，卫星的轨道运动方程为：式中：Lei为状态向量，Lei＝[x,y,z,vx,vy,vz]T，x,y,z,vx,vy,vz分别为卫星在x、y、z三个方向的位置和速度，μ为地球引力常数，μ＝3.986×1014m3/s2；J2为地球引力二阶带谐项系数，J2＝1.08263×10-3，r为地心距，Re是地球参考赤道半径，w为等效的随机白噪声，磁强计定轨的量测方程为：式中：V为地磁场势函数，r为地心距，φ为地理经度，θ为地心余纬，为地心纬度，ZB为地磁强度矢量模，Bx、By、Bz为x、y、z三个方向的磁场强度矢量，vB为地磁参考场模型误差和磁强计测量误差、星体内剩磁干扰等引起的量测噪声。自适应滤波算法中，实时估计方差由下式计算：式中，k表示测量时刻，dk是k时刻滤波器实际观测值Zk和k-1时刻对k时刻预测的观测值之差，i＝k-W+1，di是i时刻滤波器实际观测值和i-1时刻对i时刻预测的观测值之差，分别为滑动数据窗口长度为k-1、k时的估计方差，k通过滑动数据窗口W长度度量，实验中根据系统灵敏性和准确性在实际动态范围内对W进行选择。此外，自适应算法中，k时刻的残差方差的估计值为：Rk为k时刻的观测噪声方差阵，k+1时刻的观测噪声方差阵Rk+1的估计值为：k时刻的系统噪声方差阵Qk的估本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于自组织星座的星座导航方法，其特征在于，包括如下步骤：A、根据各颗卫星的运行轨道计算自组织星座的星座周期；B、对每颗卫星进行单星导航；C、为每颗卫星及其可见卫星选取星间通讯卫星以及星间通讯时刻；D、在卫星运行到星间通讯时刻时与其星间通讯卫星传输星间测量信息以及单星导航信息；E、融合处理整个星座的所有星间测量信息以及单星导航信息。

【技术特征摘要】
1.一种适用于自组织星座的星座导航方法，其特征在于，包括如下步骤：A、根据各颗卫星的运行轨道计算自组织星座的星座周期；B、对每颗卫星进行单星导航；C、为每颗卫星及其可见卫星选取星间通讯卫星以及星间通讯时刻；D、在卫星运行到星间通讯时刻时与其星间通讯卫星传输星间测量信息以及单星导航信息；E、融合处理整个星座的所有星间测量信息以及单星导航信息。2.根据权利要求1所述一种适用于自组织星座的星座导航方法，其特征在于，步骤A所述根据各颗卫星的运行轨道计算自组织星座的星座周期，具体方法为：观测卫星运行轨道，将具有相同或极为相似运行轨道的卫星划分为一组并对每组卫星中的各颗卫星进行标记，以各组卫星周期的最小公倍数为自组织星座的星座周期。3.根据权利要求1或2所述一种适用于自组织星座的星座导航方法，其特征在于，步骤B采用基于磁强计的磁导航方法对每颗卫星进行单星导航，滤波方式通过自适应扩展卡尔曼滤波算法实现，实时估计方差为：其中，k表示测量时刻，k通过滑动数据窗口长度W度量，dk是k时刻滤波器实际观测值和k-1时刻对k时刻预测的观测值之差，i＝k-W+1，di是i时刻滤波器实际观测值和i-1时刻对i时刻预测的观测值之差，分别为滑动数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：华冰，关欣，吴云华，陈林，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32