[发明专利]一种基于GNSS的卫星天文导航系统误差自主标定方法及系统

权利要求书

1.一种基于GNSS的卫星天文导航系统误差自主标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据卫星配置的地球敏感器测量得到的卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的滚动角和俯仰角θ_es；

(2)根据卫星配置的星敏感器测量结合其安装参数得到的从惯性坐标系至卫星本体坐标系的姿态四元数q＝[q₁ q₂ q₃ q₄],其中q₄为标量，并转换为转换矩阵C_bi；

(3)根据卫星上所配置的GNSS测量得到的卫星位置矢量r_g＝[x_g y_g z_g]^T，并且根据GNSS输出的卫星轨道根数近地点幅角ω和平近地点角M，进而得到平均的卫星幅角λ；

(4)基于星敏感器测量和GNSS输出结果，得到基于星敏感器测量下的卫星本体坐标系下真实地心矢量r_ge＝[x_ge y_ge z_ge]^T，并基于此得到等效的滚动角和俯仰角θ_ge；

(5)设计天文导航系统的系统误差的展开形式：

Δθ＝p_θ·F

其中，和Δθ分别为天文导航系统的滚动误差和俯仰误差；F为以轨道周期为展开周期的傅里叶基函数构成的矢量，和p_θ分别为基于F的待标定的误差参数矢量；

(6)采用递推最小二乘方法实现误差参数矢量和p_θ的标定；

(7)基于以上标定的误差参数矢量和p_θ，再利用GNSS输出信息计算得到的λ构成傅里叶基函数矢量F，即得到天文导航系统误差等效至地心方向的偏差角，即：滚动误差和俯仰误差Δθ，将其代入导航滤波中，消除由于测量基准带来的导航误差；

转换矩阵C_bi具体为：

所述平均的卫星幅角λ＝ω+M；

所述基于星敏感器测量和GNSS输出结果，得到基于星敏感器测量下的卫星本体坐标系下真实地心矢量r_ge＝[x_ge y_ge z_ge]^T，并基于此得到等效的滚动角和俯仰角θ_ge，具体为：

F表达式如下所示：

F＝[1 cosλ sinλ cos2λ sin2λ cos3λ sin3λ]^T

和p_θ初值为零矢量，具体表达式如下所示，其中矢量内变量与F中变量一一对应，下标数字0、1、2、3分别对应第0阶、1阶、2阶、3阶傅里叶展开，下标c对应F中的cos函数，下标s对应F中的sin函数：

p_θ＝[p_θ0 p_θ1c p_θ1s p_θ2c p_θ2s p_θ3c p_θ3s]；

采用递推最小二乘方法实现误差参数矢量和p_θ的标定，具体为：

P_k+1＝P_k-P_k·F·F^T·P_k/(1+F^T·P_k·F)

p_θ^T＝p_θ^T+P_k+1·F·(θ_ge-θ_es-p_θ·F)

其中：P_k初值取7×7的单位阵；上述公式即将赋值给以更新其值；将p_θ^T+P_k+1·F·(θ_ge-θ_es-p_θ·F)赋值给p_θ^T以更新其值。

2.一种根据权利要求1所述的基于GNSS的卫星天文导航系统误差自主标定方法实现的卫星天文导航系统误差自主标定系统，其特征在于包括：

地球敏感器测量模块：根据卫星配置的地球敏感器测量得到的卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的滚动角和俯仰角θ_es；

星敏感器测量模块：根据卫星配置的星敏感器测量结合其安装参数得到的从惯性坐标系至卫星本体坐标系的姿态四元数q＝[q₁ q₂ q₃ q₄],其中q₄为标量，并转换为转换矩阵C_bi；

卫星幅角确定模块：根据卫星上所配置的GNSS测量得到的卫星位置矢量r_g＝[x_g y_g z_g]^T，并且根据GNSS输出的卫星轨道根数近地点幅角ω和平近地点角M，进而得到平均的卫星幅角λ；

等效滚动角和俯仰角确定模块：基于星敏感器测量和GNSS输出结果，得到基于星敏感器测量下的卫星本体坐标系下真实地心矢量r_ge＝[x_ge y_ge z_ge]^T，并基于此得到等效的滚动角和俯仰角θ_ge；

系统误差展开形式确定模块：设计天文导航系统的系统误差的展开形式：

Δθ＝p_θ·F

其中，和Δθ分别为天文导航系统的滚动误差和俯仰误差；F为以轨道周期为展开周期的傅里叶基函数构成的矢量，和p_θ分别为基于F的待标定的误差参数矢量；

误差参数矢量标定模块：采用递推最小二乘方法实现误差参数矢量和p_θ的标定：

导航误差消除模块：基于以上标定的误差参数矢量和p_θ，再利用GNSS输出信息计算得到的λ构成傅里叶基函数矢量F，即得到天文导航系统误差等效至地心方向的偏差角，即：滚动误差和俯仰误差Δθ，将其代入导航滤波中，消除由于测量基准带来的导航误差；

转换矩阵C_bi具体为：

所述平均的卫星幅角λ＝ω+M；

所述基于星敏感器测量和GNSS输出结果，得到基于星敏感器测量下的卫星本体坐标系下真实地心矢量r_ge＝[x_ge y_ge z_ge]^T，并基于此得到等效的滚动角和俯仰角θ_ge，具体为：

F表达式如下所示：

F＝[1 cosλ sinλ cos2λ sin2λ cos3λ sin3λ]^T

和p_θ初值为零矢量，具体表达式如下所示，其中矢量内变量与F中变量一一对应，下标数字0、1、2、3分别对应第0阶、1阶、2阶、3阶傅里叶展开，下标c对应F中的cos函数，下标s对应F中的sin函数：

p_θ＝[p_θ0 p_θ1c p_θ1s p_θ2c p_θ2s p_θ3c p_θ3s]；

采用递推最小二乘方法实现误差参数矢量和p_θ的标定，具体为：

P_k+1＝P_k-P_k·F·F^T·P_k/(1+F^T·P_k·F)

p_θ^T＝p_θ^T+P_k+1·F·(θ_ge-θ_es-p_θ·F)

其中：P_k初值取7×7的单位阵；上述公式即将赋值给以更新其值；将p_θ^T+P_k+1·F·(θ_ge-θ_es-p_θ·F)赋值给p_θ^T以更新其值。