[发明专利]一种基于星间测距的地球-Lagrange联合星座自主定轨方法

说明书

本发明公开了一种基于星间测距的地球‑Lagrange联合星座自主定轨方法，包括以下几个步骤：步骤一：建立地球‑Lagrange联合星座自主定轨系统的状态方程；步骤二：建立地球‑Lagrange联合星座自主定轨系统的测量方程；步骤三：确定实现轨道参数估计的滤波方法；步骤四：基于选定滤波算法的地球‑Lagrange联合星座自主定轨方法的具体实现。本发明通过引入Lagrange卫星，有效解决了仅利用星间测距信息进行自主定轨时存在的“亏秩”问题，减轻了系统设备的复杂性；通过自适应非线性滤波算法在线实时估计系统噪声的统计特性，对噪声先验信息要求较低，提高了自主定轨滤波算法的稳定性，提高了自主定轨精度。

技术领域

本发明属于地球卫星星座的自主定轨领域，具体来说，是一种仅利用地球-拉格朗日(Lagrange)联合星座内的星间测距信息，基于自适应滤波实现地球卫星星座自主定轨的方法。

背景技术

近几十年来，卫星导航在国民经济和军事斗争领域中发挥着越来越重要的作用，提高卫星自主运行能力对于减轻地面测控负担、降低卫星运行费用、提高卫星生存能力和扩展航天器的应用潜力等方面具有重要意义。卫星的自主定轨技术是实现卫星自主控制的前提，对保障其自主运行发挥着至关重要的作用，也成为当今卫星导航与控制技术的发展趋势。

目前星座的自主定轨方法主要分为各卫星独立自主定轨和星座整体自主定轨两类方法。前者是通过卫星上搭载的各种惯性器件、星敏感器和导航接收机等获取卫星相对于其他自然天体或者导航星的距离、方向等信息来对自身位置进行在线估计，系统构成简单，运算量小，但其定轨精度受到自然天体表面的不规则程度以及敏感器的测量精度等因素的限制，单独使用难以达到导航级别应用的精度；后者则是充分利用星座内部各卫星间的相对测量信息来实现星座的整网定轨，短弧段定轨精度高，但存在着“亏秩”问题，即仅利用星间相对测量信息无法确定星座在惯性空间中的整体性方向旋转，造成星座卫星的长弧段定轨精度随时间增长而逐步下降。为了解决“亏秩”问题，国外有学者指出当星座或卫星编队所处的引力场高度不对称时，便会由轨道的“唯一性”引入绝对信息，从而解决星座整体旋转的不可观问题。研究发现，在众多非对称摄动引力场中，第三体引力的相对强度最大，特别是在L₁和L₂两个Lagrange点附近区域，因此通过联合地球卫星星座和Lagrange点星座进行联合自主定轨可以解决“亏秩”问题。利用此种自主定轨方法可以大大降低航天器自主导航系统的复杂性，减少导航测量设备，提高自主定轨精度。同时，Lagrange导航星座还可以作为深空探测导航基站，为其他深空探测器提供导航信息，从而有效解决地面深空探测网在深空导航精度、实时性、安全性等方面存在的问题，因此研究地球-Lagrange联合星座的自主定轨具有重大意义。

目前，国内外关于地球-Lagrange联合星座的自主定轨方法中主要以批处理算法、扩展卡尔曼滤波(Extend Kalman Filter，EKF)算法和无迹卡尔曼滤波(Unscented KalmanFilter，UKF)算法等常规算法为基础。但是，批处理算法往往用于事后处理，不适用于实时定轨；常规的EKF和UKF算法虽然采用了便于实时计算的递推形式，但往往要求系统噪声和测量噪声的先验信息已知，否则将造成系统性能下降甚至引起滤波发散。由于在轨卫星的实际受力情况复杂，特别是Lagrange卫星，难以获得较为精确的噪声统计特性，而且卫星轨道维持的机动等导致的不规律建模误差也会造成统计特性的改变，使得先验信息失去意义，因此研究能够根据测量信息序列自适应调整的自主导航算法对于提高自主定轨系统的鲁棒性，保证自主定轨精度有着重要意义。

发明内容