[发明专利]一种星群协同的空间目标相对导航系统及方法

权利要求书

1.一种星群协同的空间目标相对导航系统，其特征在于，包含：星群，若干个相对位置测量敏感器，若干个角度测量敏感器，相对导航滤波器；

所述星群包含一个主星和至少六个辅星；所述主星通信连接任一辅星；所述辅星以所述主星为中心，按照设计构型绕飞；

所述设计构型包含：以所述主星为圆心，将所述至少六颗辅星的初始位置均匀分布在垂直于主星轨道速度方向的平面内的圆上，并根据预估的空间目标与主星之间的间距设置所述圆的半径；通过J2能量匹配求解方法设置所述辅星相对于主星的初始相对速度，实现补偿地球对辅星的J2项引力摄动影响，降低维持所述绕飞构型的燃料消耗；所述至少六颗辅星从对应的初始位置开始，按照设置的初始相对速度，以主星为圆心，绕飞主星；

所述辅星均设有一个所述相对位置测量敏感器和一个所述角度测量敏感器；所述主星设有一个所述角度测量敏感器；辅星通过其相对位置测量敏感器获取其相对于主星的位置坐标，辅星还发送其测量的所述位置坐标给主星；主星、辅星通过各自的角度测量敏感器测得空间目标相对于主星、辅星视线方向的高低角角度值和方位角角度值；辅星还发送测得的高低角角度值和方位角角度值给主星；主星按照设计的选择方法，筛选出若干颗辅星；

所述相对导航滤波器设置在主星上，根据筛选的若干颗辅星在同一时刻测得的位置坐标值、高低角角度值和方位角角度值，以及主星该时刻测得的高低角角度值和方位角角度值，通过滤波估计，计算得到空间目标在轨道系下相对于主星的位置，实现通过所述星群对空间目标进行仅测角相对导航。

2.如权利要求1所述的星群协同的空间目标相对导航系统，其特征在于，所述主星、辅星均为微纳卫星。

3.如权利要求1所述的星群协同的空间目标相对导航系统，其特征在于，所述选择若干颗辅星，具体是选择四颗辅星。

4.一种修正球坐标系下的多角度相对导航方法，采用如权利要求1～3任一所述的星群协同的空间目标相对导航系统实现，其特征在于，包含步骤：

S1、至少六颗辅星以所述主星为中心，按照设计的绕飞构型绕飞主星；

S2、辅星测量其相对于主星的位置坐标值，并发送其测量的位置坐标给主星；主星、辅星测量空间目标相对于主星、辅星视线方向的高低角角度值和方位角角度值；辅星还发送测得的高低角角度值和方位角角度值给主星；

S3、主星从所述至少六颗辅星中筛选出四颗辅星；

S4、建立修正球坐标系；主星根据筛选的四颗辅星在同一时刻测得的位置坐标、高低角角度值和方位角角度值，主星在该时刻测得的高低角角度值和方位角角度值，以及修正球坐标系与直角坐标系的关系进行相对导航计算，得到直角坐标系下空间目标相对主星的三轴相对位置、三轴相对速度。

5.如权利要求4所述的修正球坐标系下的多角度相对导航方法，其特征在于，步骤S1包含：

S11、以所述主星为圆心，将所述至少六颗辅星的初始位置均匀分布在垂直于主星轨道速度方向的平面内的圆上，并根据预估的空间目标与主星之间的间距设置所述圆的半径；

S12、通过J2能量匹配求解方法设置所述辅星相对于主星的初始相对速度，实现补偿地球对辅星的J2项引力摄动影响，降低维持所述绕飞构型的燃料消耗；

S13、所述至少六颗辅星从对应的初始位置开始，按照设置的初始相对速度，以主星为圆心，绕飞主星。

6.如权利要求4所述的修正球坐标系下的多角度相对导航方法，其特征在于，步骤S3包含：

S31、主星从所述至少六颗辅星中任选四颗辅星，根据该四颗辅星在t时刻测得的高低角角度值和方位角角度值，计算得到该四颗辅星的几何精度因子；重复步骤S31，遍历完四颗辅星的所有组合；

S32、筛选出几何精度因子值最小的四颗辅星，分别记为第一筛选辅星至第四筛选辅星。

7.如权利要求6所述的修正球坐标系下的多角度相对导航方法，其特征在于，步骤S4包含：

S41、以主星质心为原点，构建修正球坐标系，以为修正球坐标系的状态量，其中，ρ，分别为空间目标相对主星的距离值和距离值变化率，α,β分别为空间目标相对主星视线方向的高低角角度值和方位角角度值，为空间目标相对主星视线方向高低角变化率；为空间目标相对主星视线方向的方位角变化率；

S42、利用修正球坐标系下状态量和直角坐标系下状态量之间几何换算关系，结合直角坐标系下二阶C-W方程，构建主星在修正球坐标系下的系统状态方程组：

其中，ω_c为主星轨道角速度，a_cx、a_cy、a_cz分别为主星轨控加速度在三轴上的分量；

S43、令α_i(t)表示空间目标相对于第i筛选辅星视线方向的高低角，令β_i(t)表示空间目标相对于第i筛选辅星视线方向的方位角，t表示时刻，i∈[1，4]；

令[x_Ai(t)，y_Ai(t)，z_Ai(t)]^T为第i筛选辅星相对于主星的位置坐标，i∈[1，4]；

S44、根据α_i(t)、β_i(t)、[x_Ai(t)，y_Ai(t)，z_Ai(t)]^T与之间的几何关系，构建多角度观测方程，其中i∈[1，4]：

其中，Z(t)表示筛选的四颗辅星的目标视线角度观测量向量，h(X(t))表示观测量与状态量的函数关系，v(t)表示未建模误差量；

S45、采用萤火虫滤波算法，联合系统状态方程组和多角度观测方程，滤波解算得到所述修正球坐标系下状态量进而根据修正球坐标系与直角坐标系关系，计算得到直角坐标系下的空间目标相对主星的位置和速度：

其中，x,y,z,分别为空间目标相对主星的三轴相对位置和相对速度。