北斗卫星集中式星座自主导航方法技术

本发明专利技术提供了一种北斗卫星集中式星座自主导航方法，所述北斗卫星集中式星座自主导航方法包括：采用推广卡尔曼滤波算法估计，代替地面批处理算法的最小二乘批处理估计，避免计算导航星座各星精密轨道时的实时性差；结合算法工程实现流程，使集中式导航算法具备星上使用条件。用条件。用条件。

【技术实现步骤摘要】
北斗卫星集中式星座自主导航方法


[0001]本专利技术涉及卫星导航
，特别涉及一种北斗卫星集中式星座自主导航方法。

技术介绍

[0002]新一代北斗三号卫星将于2020年全面建成，为全球提供导航服务。相比于上一代北斗二号卫星，新一代北斗三号卫星均增加有星间链路载荷，以实现北斗导航星座中双星间的测距与通信。与GPS卫星采用的UHF链路不同，北斗卫星采用的为Ka星间链路。相比于UHF链路，Ka链路建链速度更快，抗干扰能力更强，是一种性能更为优越的星间链路设计。基于Ka星间链路的星间测距及通信能力，新一代北斗卫星均设计有卫星自主导航功能。通过实时采集星间、星地双向测距信息，可实现对卫星动力学预报轨道的修正，进而实现卫星自主导航。但与GPS卫星一样，北斗卫星也采用分布式算法以实现卫星星间测距自主导航。在分布式算法中，算法只获取与本星相关的星间测距值，仅根据星间测距值确定自身导航状态。由于分布式算法是以假设解耦为前提的，其精度将不可避免地遭受损失。
[0003]与分布式算法估计方法不同，集中式算法是采集整网卫星星间测距信息，并基于测距信息确定所有星座卫星的导航信息，可得到全局最优解。因而，从统计学角度分析，集中式算法精度远优于分布式算法。地面即是通过集中式批处理算法实现卫星轨道的精密确定。近年来，本领域技术人员均探讨了集中式导航算法的在轨实现方法。例如，为降低集中式自主定轨算法的计算量，提出了一种以长期预报星历为基础，利用观测信息实时修正广播星历变量的集中式自主定轨方法。再比如，提出了一种快速、稳定的运动学集中式定轨算法。该算法不基于轨道动力学模型，利用高阶多项式对真实轨道与长期预报星历的差异进行描述。上述虽分别设计了星上可用的集中式导航算法。但均以星上处理能力受限为前提，将算法进行了相应的简化。而随着北斗三号卫星在星载计算机和星间通信技术的突破，Ka星间链路可以实现卫星与卫星之间100k的通信速率，而星上使用的龙芯1E300处理器的峰值频率为200MHz，内存为512M。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种北斗卫星集中式星座自主导航方法，以解决现有的北斗卫星星座自主集中式导航算法因为星上处理能力受限被简化的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种北斗卫星集中式星座自主导航方法，所述北斗卫星集中式星座自主导航方法包括：
[0006]采用推广卡尔曼滤波算法估计，代替地面批处理算法的最小二乘批处理估计，避免计算导航星座各星精密轨道时的实时性差；
[0007]结合算法工程实现流程，使集中式导航算法具备星上使用条件。
[0008]可选的，在所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法中，还包括：
[0009]评估推广卡尔曼滤波算法是否受星上处理能力制约，将推广卡尔曼滤波算法注入
星上使用的龙芯1E300处理器中进行仿真测试，在评估推广卡尔曼滤波算法精度的同时验证算法的工程可行性；
[0010]将推广卡尔曼滤波算法注入于龙芯1E300处理器中，以星上使用的龙芯1E300处理器为硬件基础，开展集中式导航算法的仿真验证；
[0011]通过在龙芯1E300处理器中验证集中式导航算法，对推广卡尔曼滤波算法的精度、稳定性及在轨应用可行性均进行评估。
[0012]可选的，在所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法中，还包括：
[0013]北斗三号卫星能够星载计算机通信和星间通信，Ka星间链路实现卫星与卫星之间100k的通信速率，星上使用的龙芯1E300处理器的峰值频率为200MHz，内存为512M；
[0014]根据北斗卫星星间测距能力，3s完成双星间的相互测距，30s内完成本星与最多10颗卫星的相互测距；
[0015]北斗卫星Ka星间链路最高实现卫星与卫星之间100kb的通信速率，将整网测距信息传入主卫星中。
[0016]可选的，在所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法中，还包括：
[0017]针对北斗卫星整网集中式定轨算法在轨计算，通过基于推广卡尔曼滤波的整网集中式导航算法方法、基于北斗卫星Ka星间链路载荷、以及龙芯1E300处理器进行北斗卫星整网集中式定轨算法的星上计算流程；
[0018]将北斗卫星整网集中式定轨算法注入于龙芯1E300处理器中，并开展集中式导航算法的仿真验证，以获得利用整网集中式导航算法；
[0019]且周期内，龙芯1E300处理器用时满足算法处理星上使用要求需求。
[0020]可选的，在所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法中，
[0021]分布于各个子卫星上的信息采集模块根据星座建链表完成整个星座的卫星间的相互测距，获取星间双向测距信息；
[0022]所述子卫星根据星座路由表，将所述星间双向测距信息传入所述主卫星中；
[0023]承载于主卫星上的集中式导航算法及可行性验证模块建立星间测距观测模型生成模块、轨道预报算法模块及滤波估计模块，其中：
[0024]所述轨道预报算法模块依据卫星动力学模型得到星座卫星预报轨道信息；
[0025]所述星间测距观测模型生成模块对星间双向测距信息进行处理，得到算法所需的观测量并构建观测方程，形成整网星间观测信息；
[0026]所述滤波估计模块利用扩展卡尔曼滤波算法将所述整网星间测距信息作为模型，修正所述星座卫星预报轨道信息，更新整个星座的定轨信息；
[0027]所述主卫星将所述整个星座的定轨信息实时发送至各个子卫星，执行各个卫星轨道信息的更新，完成集中式自主导航算法的一次定轨；
[0028]所述集中式导航算法及可行性验证模块对所述集中式自主导航算法的精度及工程可行性进行评估，并对整网卫星建链测距用时及主卫星的星上处理器运算处理时长进行评估。
[0029]可选的，在所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法中，所述轨道预报算法模块建立所述卫星动力学模型，并根据所述卫星动力学模型生成卫星外推轨道，所述卫星动力学模型模块将所述卫星外推轨道发送至所述星间测距观测模型生成模块；
[0030]所述星间测距观测模型生成模块将所述外推轨道作为一步预报；
[0031]所述卫星动力学模型模块还用于建立轨道状态转移矩阵预报模型，并将所述轨道状态转移矩阵预报模型发送至所述星间测距观测模型生成模块。
[0032]可选的，在所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法中，所述卫星动力学模型由公式(1)表示：
[0033][0034]其中，为卫星在惯性坐标系中的位置矢量；为卫星在惯性坐标系中的速度矢量；为卫星受各种作用力而产生的加速度。
[0035]可选的，在所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法中，所述星间双向测距信息由公式(2)表示：
[0036][0037]其中，ρ
AB
为卫星A发B收的星间距离测量值，ρ
BA
为卫星B发A收的星间距离测量值，与为星间测距理论值，δt
A
为卫星A钟差，δt
B
为卫星B本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种北斗卫星集中式星座自主导航方法，其特征在于，所述北斗卫星集中式星座自主导航方法包括：采用推广卡尔曼滤波算法估计，代替地面批处理算法的最小二乘批处理估计，避免计算导航星座各星精密轨道时的实时性差；结合算法工程实现流程，使集中式导航算法具备星上使用条件。2.如权利要求1所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法，其特征在于，还包括：评估推广卡尔曼滤波算法是否受星上处理能力制约，将推广卡尔曼滤波算法注入星上使用的龙芯1E300处理器中进行仿真测试，在评估推广卡尔曼滤波算法精度的同时验证算法的工程可行性；将推广卡尔曼滤波算法注入于龙芯1E300处理器中，以星上使用的龙芯1E300处理器为硬件基础，开展集中式导航算法的仿真验证；通过在龙芯1E300处理器中验证集中式导航算法，对推广卡尔曼滤波算法的精度、稳定性及在轨应用可行性均进行评估。3.如权利要求2所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法，其特征在于，还包括：北斗三号卫星能够星载计算机通信和星间通信，Ka星间链路实现卫星与卫星之间100k的通信速率，星上使用的龙芯1E300处理器的峰值频率为200MHz，内存为512M；根据北斗卫星星间测距能力，3s完成双星间的相互测距，30s内完成本星与最多10颗卫星的相互测距；北斗卫星Ka星间链路最高实现卫星与卫星之间100kb的通信速率，将整网测距信息传入主卫星中。4.如权利要求1所述的北斗卫星集中式星座自主导航方法，其特征在于，还包括：针对北斗卫星整网集中式定轨算法在轨计算，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：林夏，林宝军，刘迎春，白涛，武国强，王正凯，
申请(专利权)人：上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：