[发明专利]基于星载处理器的自主定轨方法

摘要

本发明提供了一种基于星载处理器的自主定轨方法。该方法利用星间测距，克服导航卫星定轨在脱离地面站支持的条件下定轨精度发散的难题，完成导航卫星之间精密测量数据转换、不同时间测量值归算、几何定轨、动力学定轨、自主星历生成等多项步骤，实现脱离地面站数据上注支持的导航卫星自主定轨算法。本方法在脱离地面站支持的条件下，即没有地面站测量数据，也没有地面站上注数据，导航卫星仅仅凭借星际双向测量的结果，并结合导航卫星上预存的60天长期预报星历，通过导航卫星自主运算，得到导航卫星的实时轨道预报结果，并可生成广播星历下发。

主权项

1.基于星载处理器的自主定轨方法，其特征在于，通过星间精密测量得到星间精密测量值，即距离观测量， 对星间距离观测量进行时间归化，得到同一时刻的星间测距观测量；经过一段时间的累积，得到卫星的几何定位值；在卫星几何定位的基础上，进行卫星动力学定轨；轨道动力学外推然后输出预报星历，具体步骤如下：步骤1：星间双向观测量生成星间观测量并非连续获得，而是根据星间链路的节拍分时获取，假设节拍周期为，起始时刻为，则在2时间内完成一次双向测量，具体为：时刻A星发B星收，+时刻A星收B星发；+2时刻A星发C星收，+3时刻A星收C星发；以此类推，在一个测量周期内的第二个节拍，B星在完成测量的同时，将第一个节拍得到的测量数据发送回A星，即A星在一个测量周期内得到了AB星的双向测量数据；步骤2：星间双向观测量归算由于星间链路直接观测量为不同时刻的测量值，因此在用于自主定轨之前需要进行预处理，即将观测量归化到同一时刻，输入为本地卫星A与建链卫星B的多个周期接收时刻伪距观测值，输出值为将各周期接收时刻伪距归化到指定接收时刻对应的伪距；步骤3：几何定位具体为：（3.1）给定卫星初始位置对于不同的卫星，建立不同的观测量方程组,（1）对式(1)进行求解，即得到卫星的位置坐标，对式(1)进行线性化，假设已知卫星的概略位置坐标，则只需对概略位置进行相应的改正即可得到卫星位置坐标，改正量用表示，此时得到的卫星位置坐标应为估计值，记为，于是有（2）（3.2）对式（1）在卫星概略位置坐标处进行线性化，并忽略2阶以上高阶项，得（3）其中，为地面站到卫星距离的近似值（4）为地面站到卫星的观测矢量的方向余弦，即（5）于是，令，，，则式（3）可写成矩阵形式（6）令为式（6）的解算原则，即（7）则式（7）的最优解为（8）当观测的卫星只有3个时，式（8）的解为（9）当观测的卫星数量大于3个时，式（8）的解为（10）对（10）式给出加权最小二乘解为（11）其中，为观测权矩阵；（3.3）用上一步计算结果更新卫星位置；（3.4）比较两次计算结果，判断是否满足收敛标准，如果满足则直接输出卫星位置估计值；否则用这次计算的卫星位置作为初始值，返回步骤（3.2）继续计算；步骤4：卫星动力学定轨（4.1）给定卫星初始位置动力学定轨即利用动力学模型，得到卫星的轨迹曲线，采用动力学离散模型为：(12)其中，、、、、、、分别为：当前历元轨道修正值、前一历元轨道修正值、模型噪声矩阵、观测值、观测矩阵、状态传递矩阵、观测误差矩阵；应用扩展Kalman滤波方法对（12）式进行求解，其步骤如下：（4.2）计算得到时刻的积分参考轨道和状态转移矩阵；（4.3）从而得到预报状态（13）（4.4）预测状态协方差矩阵（14）其中，为模型噪声的协方差矩阵，为为上一状态的轨道估计值；（4.5）计算新息向量及其协方差矩阵（15）（16）其中，为测量噪声的协方差矩阵，为新息向量，为新息向量的协方差矩阵，（4.6）计算增益矩阵（17）（4.7）求解新的状态估计值（18）（4.8）更新状态协方差矩阵（19）从而可以对时刻的积分参考轨道进行修正（20）（4.9）如果满足设定门限则直接输出结果，否则返回步骤（4.1）继续计算；步骤5：星历参数拟合设星历参考时刻，则相对于定轨时刻是未来时，需要将定轨时刻得到的轨道进行外推预报，设动力学定轨得到的轨道为，为轨道历元，为轨道根数，这里的轨道外推涉及两个过程：一是将时刻的轨道预报到星历参考时刻，得到；二是为了计算星历参数所需的轨道外推，在时刻轨道的基础上外推1-2个小时。