【技术实现步骤摘要】
一种基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统
[0001]本专利技术涉及一种基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统及方法，属于自主导航
技术介绍
[0002]航天器为实现在轨自主运行，需要实时确定自身的惯性位置与速度信息，实现自主导航。采用GNSS导航信息的自主导航方法是目前近地轨道航天器最为常用的方法。在星上控制系统设计中，如果采用定常增益的滤波估计算法，对于系统实现具有一定优势，主要表现为减少控制系统的符号计算量，缩短控制周期内的程序运行时间，避免滤波程序中的误差协方差矩阵因计算误差累积而失去矩阵正定性。相关的设计已经在星上的地敏/太敏/陀螺组合定姿(卫星姿态动力学与控制，2001)，星敏/陀螺组合定姿(星敏感器测量模型及其在卫星姿态确定系统中的应用，2003；Constant
‑
gain information filter for attitude determinantion of precision pointing spacecraft，1996)中广泛采用。
[0003]通常情况下，基于GNSS测量信息的自主导航算法，其系统方程具有时变非线性的特点，需要采用EKF算法进行滤波估计，计算的滤波增益矩阵各元素具有时变、非线性的特点。
技术实现思路
[0004]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统，用于解决采用定常增益修正GNSS输出信息进行自主导航的问题。
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统，其特征在于包括：GNSS信息转换模块、轨道外推更新模块、稳态增益的Kalman滤波修正模块以及稳态增益离线计算模块；GNSS信息转换模块，根据GNSS导航接收机输出的t
k
时刻卫星在WGS84坐标系下的位置恒星时角以及岁差章动矩阵计算卫星在ECI坐标系下的位置结合轨道外推更新模块输出的经一步外推的卫星在ECI坐标系下的速度计算该时刻归一化的轨道要素信息轨道外推更新模块，根据稳态增益的Kalman滤波修正模块输出的t
k
–1时刻经滤波修正后的卫星在ECI坐标系下的位置和速度外推计算卫星在t
k
时刻归一化的轨道要素信息稳态增益离线计算模块，采用离散计算的方式计算输出的增益滤波矩阵K
CON
；稳态增益的Kalman滤波修正模块，根据GNSS信息转换模块输出的t
k
时刻归一化的轨道要素信息轨道外推更新模块输出的外推计算的t
k
时刻归一化的轨道要素信息稳态增益离线计算模块输出的增益滤波矩阵K
CON
，计算t
k
时刻滤波估计的卫星在ECI坐标系下的位置和速度2.根据权利要求1所述的一种基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统，其特征在于：所述GNSS信息转换模块，计算归一化的轨道要素信息具体为：(1)计算t
k
时刻卫星在ECI坐标系下的导航信息具体计算公式如下：(2)计算t
k
时刻轨道半长轴具体计算公式如下：其中，μ为万有引力常数；(3)计算t
k
时刻偏心率具体计算公式如下：(4)计算t
k
时刻轨道倾角具体计算公式如下：
其中，分别为在ECI坐标系下沿X、Y、Z轴的分量；(5)计算t
k
时刻升交点赤经和纬度幅角具体计算过程为：如果如果当时，当时，时，其中，为t
k
时刻卫星在ECI坐标系下的位置沿X、Y、Z轴的分量；(6)计算t
k
时刻近地点幅角和平近地点角具体计算过程为：首先计算偏近点角计算公式为其次，计算真近点角计算公式为然后，计算近地点幅角然后，计算近地点幅角最后，计算平近地点角最后，计算平近地点角(7)计算t
k
时刻归一化的轨道要素信息具体的计算公式如下
其中，a
S
为归一化的距离单位，装订值为卫星标称轨道的半长轴。3.根据权利要求2所述的一种基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统，其特征在于：所述轨道外推更新模块，根据稳态增益的Kalman滤波修正模块输出的t
k
–1时刻经滤波修正后的卫星在ECI坐标系下的位置和速度外推计算卫星在t
k
时刻归一化的轨道要素信息具体如下：(1)计算一阶外推的位置、速度、加速度(1)计算一阶外推的位置、速度、加速度(1)计算一阶外推的位置、速度、加速度其中，分别为一阶外推计算得到的t
k
时刻卫星在ECI坐标系下的位置、速度和加速度；(2)计算二阶外推的位置、速度、加速度(2)计算二阶外推的位置、速度、加速度(2)计算二阶外推的位置、速度、加速度其中，分别为二阶外推计算得到的t
k
时刻卫星在ECI坐标系下的位置、速度和加速度，ΔT为外推积分步长；(3)计算三阶外推的位置、速度、加速度(3)计算三阶外推的位置、速度、加速度(3)计算三阶外推的位置、速度、加速度其中，分别为三阶外推计算得到的t
k
时刻卫星在
ECI坐标系下的位置、速度和加速度；(4)计算四阶外推的位置、速度、加速度(4)计算四阶外推的位置、速度、加速度(4)计算四阶外推的位置、速度、加速度其中，分别为四阶外推计算得到的t
k
时刻卫星在ECI坐标系下的位置、速度和加速度；(5)计算一步外推的位置、速度、加速度(5)计算一步外推的位置、速度、加速度其中，分别为轨道一步外推计算得到的t
k
时刻卫星在ECI坐标系下的位置和速度；(6)计算一步外推的轨道要素4.根据权利要求3所述的一种基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统，其特征在于：所述步骤(6)计算一步外推的轨道要素具体为：首先，计算一步外推得到的t
k
时刻轨道半长轴具体计算公式如下：其次，计算一步外推得到的t
k
时刻偏心率具体计算公式如下：第三，计算一步外推得到的t
k
时刻轨道倾角具体计算公式如下：
其中，分别为在ECI坐标系下沿X、Y、Z轴的分量；第四，计算一步外推得到的t
k
时刻升交点赤经和纬度幅角具体计算过程为，如果小于1
×
10
‑7，等于0，等于arctan2等于arctan2如果大于等于1
×
10
‑7，当大于等于0时，等于当小于0时，等于等于等于其中，为t
k
时刻卫星在ECI坐标系下的位置沿X、Y、Z轴的分量；第五，计算一步外推得到的t
k
时刻近地点幅角和平近地点角具体计算过程为，首先计算偏近点角计算公式为计算一步外推得到的真近点角计算公式为计算一步外推得到的近地点幅角计算一步外推得到的近地点幅角计算一步外推得到的平近地点角计算一步外推得到的平近地点角最后，计算一步外推得到的t
k
时刻归一化的轨道要素信息具体的计算公式如
下其中，a
S
为归一化的距离单位。5.根据权利要求4所述的一种基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统，其特征在于：稳态增益的Kalman滤波修正模块具体计算关系如下：(1)计算滤波估计的轨道要素信息(1)计算滤波估计的轨道要素信息其中，为滤波估计的t
k
时刻归一化的轨道要素信息；时刻归一化的轨道要素信息；为t
k
时刻滤波估计的轨道半长轴、轨道倾角、升交点赤经、轨道偏心率、近地点幅角、平近点角；(2)计算滤波估计的位置速度首先，迭代计算t
k
时刻滤波估计的偏纬度幅角迭代计算的初值为迭代公式为
迭代计算的终止条件为或迭代次数超过10次；其次，计算t
k
时刻滤波估计的真纬度幅角具体计算公式如下：第三，计算t
k
时刻滤波估计的轨道半通径地心距径向速度和切向速度具体计算公式为具体计算公式为具体计算公式为具体计算公式为第四，计算t
k
时刻滤波估计的卫星在ECI坐标系下的位置具体计算公式如下：第五，计算t
k
时刻滤波估计的卫星在ECI坐标系下的速度具体计算公式如下：
P
k,k
‑1＝ΦP
k
‑1Φ
T
+Q
D
P
k
＝P
k,k
‑1‑
K
k
HP
k,k
‑1迭代计算的终止条件为|p
ij,k
‑
p
ij,k
‑1|＜10
‑6或迭代次数超过104次；其中，p
ij,k
为第k次迭代计算得到的误差协方差矩阵P
k
的第i行、第j列元素，0<i，j≤6，增益滤波矩阵K
CON
取值为迭代终止时的增益矩阵K
k
。7.一种根据权利要求1所述的基于归一化轨道参数的稳态增益修正GNSS自主导航系统实现的自主导航方法，其特征在于包括：根据GNSS导航接收机输出的t
k
时刻卫星在WGS84坐标系下的位置恒星时角以及岁差章动矩阵计算卫星在ECI坐标系...
【专利技术属性】
技术研发人员：王楷，陈守磊，刘新彦，汤亮，严欣颖，王浩，周艳丽，王硕，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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