一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法及系统，涉及微波测量技术领域，该方法包括根据卫星的机动周期、机动初偏置角以及机动角度振幅确定主星单方向的机动角度；构建两颗卫星之间的观测方程，并对所述观测方程进行差分处理；根据差分处理后的观测方程获取当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态；利用当前时刻的卫星单方向的机动角度对当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态进行标定。本发明专利技术能够抑制卫星姿态扰动的影响，提高测试精度。提高测试精度。提高测试精度。

【技术实现步骤摘要】
一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法及系统


[0001]本专利技术涉及微波测量
，特别是涉及一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法及系统。

技术介绍

[0002]在以重力测量卫星微米级精度测距系统(KBR)、GNSS接收机为代表的高精度无线电测量系统中，天线是信号接收、发射以及测量值输出的基准点。如果天线的相位中心在所关注测量时段内发生变化，那么输出的测距值就会产生误差。准确获知天线相位中心位置，对于测距值的在线和离线校准、测距精度评估、测距系统优化配置等均非常重要。
[0003]由于地面KBR系统天线安装存在误差，卫星发射后在空间真空电离环境中运行时KBR天线上部分物质蒸发等使KBR系统相位中心与质心间相对位置发生改变，因此在轨进行KBR系统相位中心标定，具有重要的意义。
[0004]现有典型的KBR天线在轨相位中心标定方法可分为三类：一种是利用卫星姿态机动实现KBR相位中心在轨标定，将KBR系统测量的距离及距离变化率与卫星旋转角间的关系作为切入点并设计卫星姿态机动规律。第二种方法是将相位中心在轨标定问题转换为对卫星姿态四元数的求解。第三种方法是采用卡尔曼滤波算法对KBR相位中心进行估计。
[0005]但是，相位估计时往往采用最小二乘法，工程实际上往往得不到最优解，且计算量巨大。并且，在轨相位估计常见的噪声有K波段测距系统相位(距离)观测噪声、卫星相对位置确定误差和姿态四元数误差，所有这些误差都会降低相位中心确定的精度。
[0006]K波段系统的标定目的是确定各个编队卫星微波天线的相位中心。姿轨控系统(AOCS)可调整两颗卫星的姿态方向，使两个编队卫星天线的相位中心和两卫星质心近乎在同一直线上，并允许相位测量值的后处理，做对准标定得到两卫星质心的有偏距离。对于K波段系统标定采用周期性振荡机动的情形，所需数据包括K波段观测数据、星敏感器观测数据以及GPS的精确定轨(POD)数据。
[0007]星敏感相机观测数据直接用于确定两颗卫星的姿态方位。观测噪声和星敏感器框架的失准会给相位中心的确定带来一定的误差。每颗卫星上的全球定位系统接收器组件可以精确确定卫星的位置。然而，在距离观测中只有相对位置，并且由于一些类似的扰动，单个卫星的位置误差可能被部分抵消。此外，在K波段标定期间，磁扭矩和推力器扭矩的组合用于使卫星围绕偏置角度振荡。
[0008]因此，专利技术一种抑制姿态扰动影响的KBR天线相位中心的在轨标定方法非常迫切。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法及系统，能够抑制卫星姿态扰动的影响，提高测试精度。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法，包括：
[0012]根据卫星的机动周期、机动初偏置角以及机动角度振幅确定主星单方向的机动角度；
[0013]构建两颗卫星之间的观测方程，并对所述观测方程进行傅里叶变换和差分处理；
[0014]根据差分处理后的观测方程获取当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态；
[0015]利用当前时刻的卫星单方向的机动角度对当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态进行标定。
[0016]可选地，所述根据卫星的机动周期、机动初偏置角以及机动角度振幅确定主星单方向的机动角度，具体包括：
[0017]利用公式确定主星单方向的机动角度；
[0018]其中，θ(t)表示t时刻单颗卫星单方向机动角度，T表示机动周期，θ0表示机动初偏置角，Θ表示机动角度振幅，Θ＝kT2，k为常数。
[0019]可选地，所述构建两颗卫星之间的观测方程，并对所述观测方程进行傅里叶变换和差分处理，具体包括：
[0020]利用公式构建两颗卫星之间的观测方程；
[0021]利用确定傅里叶变换后的观测方程；
[0022]利用公式确定差分处理后的观测方程；
[0023]确定差分处理后的观测方程的卷积核；
[0024]根据卷积核构建矢量；
[0025]根据矢量确定估计状态；
[0026]其中，f(x)表示在轨相心距离测量的拟合函数，表示由差分GPS获取的两颗卫星的质心空间相对距离，q1,q2表示两个卫星的姿态四元数，表示姿态四元数对应的矩阵转换，分别表示两颗卫星的相位中心，Θ(
·
)表示矢量化后的相位中心，R
br
,R
nr
分别表示常值偏差及随机噪声，Poly(n)表示多项式拟合项，δ1f(x),δ2f(x),δ3f(x)分别表示在轨相心距离测量的拟合函数的一阶差分函数、二阶差分函数以及三阶差分函数，F[
·
]表示傅里叶变换运算，表示对f(x)的n阶微分，ω表示频域内的角速率，x表示估计状态，i为虚数单位，为
‑
1的开方值。
[0027]可选地，所述根据卷积核构建矢量，具体包括：
[0028]利用公式y＝[δ1f(x) δ2f(x) δ3f(x)]T
构建矢量；
[0029]其中，y表示矢量。
[0030]可选地，所述根据矢量确定估计状态，具体包括：
[0031]利用公式确定估计状态；
[0032]其中，H表示f(x)对状态的一阶偏导数矩阵，R表示测量随机误差，t0表示时刻t0。
[0033]可选地，所述利用当前时刻的卫星单方向的机动角度对当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态进行标定，具体包括：
[0034]利用公式确定标定后的卫星质心系下主星相位中心在x方向与z方向的分量；
[0035]其中，d
1x
，d
1z
表示卫星质心系下主星相位中心在x方向与z方向的分量，a
f
,a
2f
分别表示机动频率傅里叶分量振幅和两倍机动频率傅里叶分离振幅。
[0036]一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定系统，包括：
[0037]机动角度确定模块，用于根据卫星的机动周期、机动初偏置角以及机动角度振幅确定主星单方向的机动角度；
[0038]观测方程构建与处理模块，用于构建两颗卫星之间的观测方程，并对所述观测方程进行傅里叶变换和差分处理；
[0039]估计状态确定模块，用于根据差分处理后的观测方程获取当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态；
[0040]标定模块，用于利用当前时刻的卫星单方向的机动角度对当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态进行标定。
[0041]一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定系统，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现所述的方法。
[0042]一种存储介质，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现所述的方法。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法，其特征在于，包括：根据卫星的机动周期、机动初偏置角以及机动角度振幅确定主星单方向的机动角度；构建两颗卫星之间的观测方程，并对所述观测方程进行傅里叶变换和差分处理；根据差分处理后的观测方程获取当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态；利用当前时刻的卫星单方向的机动角度对当前时刻的卫星质心系下主星相位中心的估计状态进行标定。2.根据权利要求1所述的一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法，其特征在于，所述根据卫星的机动周期、机动初偏置角以及机动角度振幅确定主星单方向的机动角度，具体包括：利用公式确定主星单方向的机动角度；其中，θ(t)表示t时刻单颗卫星单方向机动角度，T表示机动周期，θ0表示机动初偏置角，Θ表示机动角度振幅，Θ＝kT2，k为常数。3.根据权利要求1所述的一种微波测距系统天线相位中心的在轨标定方法，其特征在于，所述构建两颗卫星之间的观测方程，并对所述观测方程进行傅里叶变换和差分处理，具体包括：利用公式构建两颗卫星之间的观测方程；利用确定傅里叶变换后的观测方程；利用公式确定差分处理后的观测方程；确定差分处理后的观测方程的卷积核；根据卷积核构建矢量；根据矢量确定估计状态；其中，f(x)表示在轨相心距离测量的拟合函数，表示由差分GPS获取的两颗卫星的质心空间相对距离，q1,q2表示两个卫星的姿态四元数，表示姿态四元数对应的矩阵转换，分别表示两颗卫星的相位中心，Θ(
·
)表示矢量化后的相位中心，R
br
,R
nr
分别表示常值偏差及随机噪声，Poly(n)表示多项式拟合项，δ1f(x),δ2f(x),δ3f(x)分别表示在轨相心距离测量的拟合函数的一阶差分函数、二阶差分函数以及三阶差分函数，F[
·
]表示傅里叶变换运算，表示对f(x)的n阶微分，ω表示频域内的角速率，x表示估计状态，i为虚数单位，为
‑
1的开方值。4.根据权利要求3所述的一种微波测距系统天线相位中心的在轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖云，潘宗鹏，刘玄，钟兴旺，张锐，毛智航，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所陕西航天技术应用研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：