[发明专利]基于星敏感器和星间链路的HEO卫星编队飞行自主导航方法

说明书

本发明公开了一种基于星敏感器星间链路的HEO卫星编队飞行自主导航方法。首先以HEO卫星对地观测为任务需求，设计两个卫星编队飞行构型和轨道参数，然后根据地心惯性坐标系下主星相对子星轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；其次提出主星星敏感器观测子星所需满足的理论光照条件和成像条件。计算子星相对主星理论方位角与俯仰角，调整主星星敏感器真实光轴与理论方向一致，对子星进行真实观测，建立以相对单位方向矢量和距离为观测量的观测方程；最后使用Unscented卡尔曼滤波估计卫星位置和速度，本发明能够有效修正卫星相对位置误差，提高相对导航精度，非常适用于卫星编队飞行自主导航。

技术领域

本发明属于航天器编队飞行空间测量领域，尤其涉及一种基于星敏感器和星间链路的HEO卫星编队飞行自主导航方法。

背景技术

大椭圆轨道(High Elliptical Orbit，HEO)卫星的轨道偏心率大于0.6，近地点高度在300千米～1000千米之间，远地点处的高度要高于地球静止轨道卫星(36000千米)。HEO卫星具有覆盖区域广，覆盖时间长的特点，因此在很多领域都得到了应用，例如导弹预警，气象探测，导航定位，空间科学探索等。早期的HEO卫星主要应用于军事领域，其中的典型代表有俄罗斯的“闪电”系列卫星；美国的“折叠椅”，“军号”卫星。可以说，尽管目前世界各国研究的重点仍然是低轨卫星和中轨卫星，但HEO卫星由于其自身独特的轨道特点，可以做为现有卫星的补充，必将拥有广泛的应用前景。

HEO卫星群在空间运行过程中所经历的空间环境比较复杂，要想实现其高精度的自主导航，必须解决两方面问题：一方面，当噪声的分布并不确定时，所采用的滤波算法是否具有较强的自适应能力使得滤波结果收敛，并且保证足够高的精度；另一方面，HEO卫星的速度和加速度在近地点附近会出现较为剧烈的变化，即存在着高速度高动态的问题，它会导致滤波结果出现波动的情况。

为了HEO卫星进行编队飞行以及共位控制，必须首先能实时获得卫星的位置和姿态信息，并且不能对临星产生干扰，由于HEO卫星远地点通常在36000km高度，HEO卫星存在导航观测信号不足的问题：(1)常用GNSS导航方式存在导航信号弱、地球遮挡和可见卫星少等严重问题；(2)其它导航方式：地磁场无法使用，雷达高度计仅限于近地轨道导航，都难以作为观测信息满足整个轨道周期导航要求，因此这就使得研究HEO卫星引入新观测方法显得迫切重要。

发明内容

发明目的：本发明针对HEO卫星编队飞行观测信息不足导致导航精度较低的问题，提出一种基于星敏感器和星间链路的HEO卫星编队飞行自主导航方法，为编队飞行的HEO卫星提供高精度相对观测信息。

技术方案：一种基于星敏感器和星间链路的HEO卫星编队飞行自主导航方法，步骤如下：

(1)以HEO卫星对地观测为任务需求，将两个HEO卫星分别设为主星和子星，设计主星和子星编队飞行构型及轨道参数；

(2)根据地心惯性坐标系下主星相对轨道动力学模型，建立自主导航系统状态模型；

(3)根据计算的主星和子星相对距离，判断子星是否满足星敏感器观测距离要求，满足则进入步骤(4)，否则进入步骤(12)；

(4)根据解算的太阳、地球和子星三者位置关系，判断子星是否处在太阳光照区，是则进入步骤(5)，否则进入步骤(12)；

(5)根据解算的地球、主星和子星三者位置关系，判断地球是否进入星敏感器视场，是则进入步骤(6)，否则进入步骤(12)；

(6)根据计算的子星可视星等，判断子星可视星等是否小于星敏感器可观测阈值，是则进入步骤(7)，否则进入步骤(12)；

(7)根据计算的子星相对主星方向矢量与星敏感器光轴指向夹角，判断子星是否在星敏感器视场范围内，是则进入步骤(8)，否则计算利用万向轴调整星敏感器光轴指向后，继续判断，是则进入步骤(8)，否则进入(12)；