[发明专利]一种基于星载GNSS多天线的卫星自主定轨方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于星载GNSS多天线的卫星自主定轨方法，能够解决复杂姿态机动情况下的高精度轨道确定问题，属于卫星的自主定轨技术领域。

背景技术

随着卫星应用技术的快速发展，卫星为了完成相应的科学任务，需要具有三轴姿态大角度敏捷机动能力。在敏捷模式下，GNSS接收机应能保证一直定位。然而，在大角度三轴姿态机动下，低轨卫星如果只使用一个GNSS天线，其主瓣不能保证一直指向天顶方向，甚至有可能指向地心，严重影响GNSS接收机正常工作。

另外一方面，整星上载荷、天线较多，如数传天线、中继天线等工作时需要调整天线指向对准中继卫星以便完成数据传输等任务，在调整天线指向时，可能会对GNSS天线产生物理遮挡，影响GNSS接收机收星情况。

综上可以看出，随着卫星应用技术的快速发展，仅利用GNSS单天线进行导航定位时会存在一定的适用局限性，已不能保证GNSS接收机输出高精度的导航定位结果，因此，需要研究适用范围更广的导航定位技术。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于星载GNSS多天线的卫星自主定轨方法，本发明能解决复杂姿态机动情况下的高精度轨道确定问题，相比单天线定轨，该方法适用范围更广，具有重大的工程实用价值和军事战略意义。

本发明的技术解决方案是：

一种基于星载GNSS多天线的卫星自主定轨方法包括步骤如下：

（1）自主定轨开始，系统初始化。

（2）获取星载GNSS多天线观测数据和广播星历，利用获取的观测数据进行单点定位测速解算得到卫星位置、速度结果和接收机钟差，进而观测数据历元时间减去接收机钟差得到滤波器时间；

（3）判断自主定轨标记是否为启动，若卫星自主定轨启动，则进入步骤（4）；若没有启动则将步骤（2）得到的卫星位置、速度结果由相应的天线相位中心转到卫星质心并初始化卡尔曼滤波状态量，将卡尔曼滤波状态量定义为数据1，并初始化卡尔曼滤波状态误差协方差阵，将方差阵定义为数据2，并置自主定轨标记启动进入步骤启动（4）；

（4）建立基于高精度轨道动力学模型的卫星运动状态方程，利用四阶龙格-库塔积分器对卫星运动状态方程进行积分，得到滤波器时间的卫星位置速度预报值和状态转移矩阵，分别将其定义为数据3和数据4；若为初次自主定轨，则卫星运动状态方程的积分初值使用步骤（2）中的卫星位置及速度结果；否则使用数据10；

（5）进行卡尔曼滤波的时间更新，计算系统动态噪声协方差阵，将其定义为数据5，利用卡尔曼滤波状态误差协方差阵和步骤（3）中得到的状态转移矩阵计算得到预测状态误差协方差阵，将其定义为数据6；若为初次自主定轨，则卡尔曼滤波状态误差协方差阵使用步骤（3）中的数据2，否则使用数据11；

（6）若步骤（2）中得到的GNSS多天线观测数据为第i个GNSS天线的观测数据，则将数据3从卫星质心处转换到第i个GNSS天线相位中心处，得到数据7；

（7）进行卡尔曼滤波的测量更新，更新步骤如下：

（a）首先计算滤波最优增益阵，建立以步骤（2）中的观测数据为观测量的观测方程，得到观测矩阵，将其定义为数据8，然后采用UD（Upper triangular matrix-Diagonal matrix）分解滤波原理（一次卡尔曼滤波测量更新只处理一颗GNSS卫星的观测数据），利用观测噪声协方差阵（不同的GPS/GLONASS/BD2（全球定位系统/global position system,格洛纳斯，俄罗斯卫星导航系统/北斗2/beidou2）多系统设置不同的观测噪声协方差阵）、数据8和步骤（5）中得到的数据5和数据6计算滤波最优增益阵，将其定义为数据9；

（b）其次更新卡尔曼滤波状态量；利用步骤（a）中的数据9、步骤（6）中的数据7和步骤（2）中的观测数据更新卡尔曼滤波状态量，将其定义为数据10；

（c）最后更新状态协方差矩阵；利用步骤（a）中的观测噪声协方差阵和数据8以及步骤（5）中的数据6更新状态协方差矩阵，将其定义为数据11；

（8）卡尔曼滤波的测量更新过程结束后，将步骤（7）得到的数据10，由第i个天线相位中心处转换到卫星质心处，得到数据12，重复步骤（2）～(8)即可实现星载实时自主定轨。