[发明专利]一种基于地球卫星和月球卫星联合测距的自主导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于地球卫星和月球卫星联合测距的自主导航方法，属于卫星自主导航技术领域。

背景技术

卫星自主导航指的是在不依赖地面测控系统支持的情况下，仅依靠星上搭载的测量、通讯和计算设备确定自身的位置和速度。实现卫星自主导航是进行卫星自主控制的基础，有助于降低卫星对地面测控的依赖程度，增强卫星系统在紧急情况下的自主生存能力。但是，以目前的技术水平，中高轨卫星缺乏高精度自主绝对导航手段。传统的卫星自主导航方法包括基于光学敏感器的天文导航方法和基于地球卫星星间距离测量的方法等，其中，基于光学敏感器的天文导航受到地心方向提取精度的限制，难以满足卫星高精度自主导航的要求；基于地球卫星星间距离测量进行导航时存在“亏秩”问题，即仅距离测量情况下不能对星座的整体旋转形成有效的几何约束，造成卫星的绝对定位误差随时间增长而逐步积累。

以往研究表明，将卫星轨道动力学方程简化为二体问题处理时，基于星间测距的卫星导航系统是不可观的；如果考虑卫星轨道运动的三体问题，即同时考虑地球和月球引力影响，那么，星间测距导航系统是可观的。但是，对于参与导航的2颗卫星均为地球卫星的情况，由于月球引力对地球卫星动力学的影响较小，导航系统的可观度较弱，事实上仍然难以实现高精度导航。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于地球卫星和月球卫星联合测距的自主导航方法，能够实现卫星高精度自主导航，为卫星自主运行奠定技术基础。

本发明的技术解决方案是：

一种基于地球卫星和月球卫星联合测距的自主导航方法，步骤如下：

(1)选择参与导航的一颗地球卫星和一颗月球卫星的位置矢量和速度矢量在地心惯性坐标系的分量作为状态变量；

(2)在所述地球卫星和月球卫星之间建立星间链路，通过无线电测距的方法获取地球卫星和月球卫星的星间距离观测量；

(3)利用扩展卡尔曼滤波算法处理步骤(2)中得到的地球卫星和月球卫星的星间距离观测量，获得状态变量的估计值，即地球卫星和月球卫星的位置矢量和速度矢量的估计值，从而实现了地球卫星和月球卫星的自主导航。

所述步骤(1)中状态变量为：

x(t_k)＝[(x₀(t_k))^T(x_i(t_k))^T]^T

其中，

x_i(t_k)＝[(r_i(t_k))^T(v_i(t_k))^T]^T

r_i(t_k)＝[r_i，x(t_k)r_i，y(t_k)r_i，z(t_k)]^T

v_i(t_k)＝[v_i，x(t_k)v_i，y(t_k)v_i，z(t_k)]^T

r₀(t_k)和v₀(t_k)表示地球卫星位置矢量和速度矢量，r₁(t_k)和v₁(t_k)表示月球卫星的位置矢量和速度矢量，下标i＝0表示地球卫星，i＝1表示月球卫星，t_k表示时间。

所述步骤(2)中地球卫星和月球卫星的星间距离观测量为：y(t_k)＝h(x(t_k))+v(t_k)

其中，

h(x(t_k))＝||r₁(t_k)-r₀(t_k)||

y(t_k)表示地球卫星和月球卫星的星间距离观测量，符号||·||表示求矢量的范数，v(t_k)表示测量噪声。