专利名称：一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法
技术领域：
本发明涉及一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，它是一种实现多航天器星座分散化自主导航的信息处理方法。该方法在基于星间测量进行自主导航定轨的各种轨道构型的多航天器任务中得到有效应用，经改进后亦可在星座星-地联合定轨系统中获得应用。属于航天器自主导航技术领域。
背景技术：
在当今科学探测、技术应用、乃至军事斗争中，航天活动正发挥着日益重要甚至不可替代的作用。在各类航天计划中，使用多航天器构成一个整体空间系统的任务模式以其分布协同化构型、多样灵活的功能组合、高任务效率和低风险等特点，可在更高的技术水平上满足日益复杂多样的任务要求，是航天技术发展的重要趋势之一。目前已取得广泛成功的人造卫星星座即属于多航天器任务的典型应用。包括通信卫星、导航卫星以及部分对地观测卫星均采用了卫星组网构成星座的方式。星座自主运行是指卫星在不依赖地面设施的情况下，自主确定星座状态和维持星座构型，在轨完成飞行任务所要求的功能或操作。与以地面测控为主的传统模式相比，自主运行能大大降低星座运行和管理成本、减小系统风险，是一种必然的发展趋势。自主导航为星座构形控制提供测量数据，是卫星星座实现自主运行和控制的前提和基础，尤其对于导航星座来讲，实现星座的自主导航不仅能够实现战时星座的自主生存，还肩负着为星座系统提供高精度广播星历，从而提高用户的定位精度以及整个导航系统性能的重任。从上世纪70年代开始，美国、俄罗斯和欧空局先后研究了多种卫星自主导航方案。目前星座自主导航主要有两种技术途径(I)依靠单星自主导航实现星座自主轨道确定。这种方法依靠星座中每个单星独立完成定轨，主要手段包括通过卫星导航定位或采用天文导航技术。前者实际上仍依赖GPS这样的人造系统，严格地说不是完全自主的导航方式。后者则实现了完全自主导航测量，但目前精度还相对较低。(2)基于星间测量的星座自主导航。从原理上来说，基于星间测量的自主导航把卫星星座成员成对地当作若干基线很长的重力测量仪，则星座成员相对运动变化体现的引力场信息与绝对位置关联。通过测量星座成员卫星相互之间的相对运动状态，包括相对距离、相对距离变化率和视线方位，可用来改进卫星的预报星历，从而提高星座整网导航定轨精度。美国从20世纪80年代就开始研究GPS星座的自主运行问题，1984年Markley提出可以通过测量星间矢量在惯性空间的投影确定两颗卫星的轨道，Ananda等随后公布了关于GPS自主导航可行性的研究成果，1985年初美国空军空间系统部委托IBM开展关于自主导航算法的深入研究。从2000年起，具备自主导航功能的GPS Block IIR系列进入全面测试阶段，其自主导航的基本思想就是利用星间伪距测量数据，对地面控制中心注入的轨道预报数据进行改进。但是截至目前有关GPS星座自主导航试验的具体数据仍未见披露。在理论研究和实验方面，Psiaki指出，由于非中心引力的存在，卫星间的相对运动通过绝对引力场的变化与位置相关，因此上述方法可以适用于各种地球卫星以及其他行星星座的定轨。刘林、Hill等人的工作进一步表明，仅依靠星间相对测距进行自主导航的可观测性随着星座成员卫星所处引力场不对称度的增大而提高。多个天体共同作用或具有较强非对称性的引力场有利于绝对导航状态估计；反之，在引力场结构接近对称的情形下，仅仅依靠相对测距只能构成空间的相对位置约束，无法测量星座的整体旋转。因此在星间测距基础上，陈培提出加入基于星载多接收机载波相位的星间测向信息以提高导航估计性能；陈金平等提出基于星敏感器测量卫星相对方位，进而确定星座相对惯性参考坐标系方位的轨道；熊凯则引入X射线脉冲星观测获得了理论上更精确的星间方位信息。Yim等则表明仅根据星间方位测量即可实现中心引力场中的完全自主定轨。基于星间测量的自主导航技术正呈现多种方案同时发展的趋势，可以预见将成为星座自主导航的重要甚至首选方式。作为基于星间测量的星座自主导航的关键技术，导航算法的设计必须考虑如下要点。首先在导航信息来源方面，星间测量是多个航天器协同和并行的过程；第二，在系统构型上，星座中航天器数目往往较多，而且星间链路可用性和拓扑结构具有时变的特点；第三，为了完成导航信息的融合与分发，要求各成员航天器协同工作。然而，由于导航状态估计算法结构的限制，当前的星座自主导航方案大多采用整网集中定轨或群组分片集中定轨的方式，在每个群组中指定中心航天器，负责获取和存储群组各成员航天器的观测信息，并调用批处理算法或卡尔曼滤波算法同时确定出群组中所有卫星的轨道参数或导航状态。算法的集中化势必导致导航计算量和计算流程均集中于中心航天器，同时增加了系统运行风险，而且不利于星座链接构型变化时的算法结构调整，亦不利于解决不同航天器节点测量信息的非同步采样问题。随着星座成员数目的增加和构型多样化，上述问题还会更加突出。研究者们逐步认识到，采用分散化的算法方案是应对上述困难的有效途径。已提出的方案将各成员航天器观测任务分散化，以顺序级联的方式进行全局状态的观测更新。虽然将观测更新过程分解到相应的成员航天器中进行，但仍然将星座整网或群组看作一个整体进行导航状态估计。相较于集中式算法，此类方法很好地处理了分布式观测的问题，但由于没有实现滤波算法的彻底分散化，群组中相关的每个航天器需要依次对全局状态进行更新，存在单个航天器计算量大、星间通信量反而有所增加、以及系统容错性能不高等缺点。综上所述，分散化协同运行已成为基于星间测量的星座自主导航系统重要的发展趋势，将构成其自主运行的关键环节，然而目前从算法结构上尚无完整实用的分散化方法。本发明就是专门针对这一难点问题，基于星间测量和信息共享技术，提出在星间观测、状态估计、故障检测以及系统重构等方面均按照分散化原则设计的自主导航系统和方法，实现系统功能和算法运行的高度分散化，旨在为各类基于星间测量的星座自主导航系统提供一种有效的技术方案。
发明内容
I、目的:本发明针对航天器星座自主运行的需要，目的是提供一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法。该方法可以较好地解决现有系统方案在算法结构上的不足。、
2、技术方案一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，方法实施的载体为由多个航天器按照一定构型组成的星座。星座中每个航天器配置有星载计算机、星间相对距离测量设备、星间相对速度测量设备、星间相对方位观测设备以及星间无线通信设备，具备进行导航计算、星间测量及星间通信功能。每个航天器在星间网络中所处的位置平等，在计算功能上亦等同。按照航天器与子滤波器一一对应的原则，将星座自主导航问题分解为对各成员航天器系统状态的估计问题，各子滤波器负责对应航天器的导航估计。在星座整体导航滤波算法中对应一个子滤波器。参见
图1，该方法采用递推计算方式实现，记k(k=l, 2，3...)为计算步序号，tk为对应的特征时刻，以一个计算更新周期[tk，tk+1]为例，该方法具体步骤如下 步骤I :各子滤波器初始化；步骤2 :各子滤波器进行本地状态采样；步骤3 :各子滤波器进行时间更新；步骤4 :各航天器之间建立星间通信链路并保持跟踪。对于建立链路且相互跟踪成功航天器，进入步骤5。对于未成功建立任何链路的航天器，进入步骤11 ；步骤5 已建立星间链路的航天器进行星间跟踪观测。对于成功进行星间观测的航天器，根据可用的星间观测确定本地相关观测模型，进入步骤6。对于未成功进行星间观测的航天器，执行步骤11 ;步骤6 :经星间链路共享各子滤波器的状态采样信息；步骤7 :各子滤波器进行本地相关量测采样；步骤8 :各子滤波器进行量测更新；步骤9 :各子滤波器进行性能监控，判断其运行是否正常。若判断结果为正常，则执行步骤10。否则执行步骤11;步骤10 :各子滤波器将步骤8的量测更新结果作为本地导航估计输出，返回步骤I，开始执行下一个计算周期；步骤11 :各子滤波器将步骤3的时间更新结果作为本地导航估计输出，返回步骤1，开始执行下一个计算周期。其中，步骤I中所述的各子滤波器初始化，其实现方法为各子滤波器初始化是指确定各子滤波器在当前计算时刻tk的本地系统状态估计初值A反相应的误差协方差矩阵初值对于整体算法的起始时刻，即h时刻，各子滤波器系统状态估计初值文丨包括相应本地航天器在惯性参照坐标系中的位置矢量估计初值&和速度矢量估计初值^。X0+= ；Y⑴
KJ0(1)设h时刻本地航天器的系统状态真实值为Xtl,则相应的误差协方差矩阵初值e按照下式计算Pxx (-X0 -X0] I(2)
若缺乏系统状态真实值Xtl的必要信息，亦可根据工程经验确定。对于tk(k=l，2，…)时刻，文丨和等于上一步计算时刻的估计输出。其中，步骤2中所述的各子滤波器进行本地状态采样，其实现方法为各子滤波器依据tk时刻本地状态估计初值Ya及相应的误差协方差矩阵初值Pn ,，并行地使用下面的对称采样算法计算相应的本地状态采样if :
权利要求
1.一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于该方法具体步骤如下 步骤I :各子滤波器初始化； 步骤2 :各子滤波器进行本地状态采样； 步骤3 :各子滤波器进行时间更新； 步骤4 :各航天器之间建立星间通信链路并保持跟踪；对于建立链路且相互跟踪成功航天器，进入步骤5 ;对于未成功建立任何链路的航天器，进入步骤11 ； 步骤5 :已建立星间链路的航天器进行星间跟踪观测；对于成功进行星间观测的航天器，根据可用的星间观测确定本地相关观测模型，进入步骤6 ;对于未成功进行星间观测的航天器，执行步骤11 ; 步骤6 :经星间链路共享各子滤波器的状态采样信息； 步骤7 :各子滤波器进行本地相关量测采样； 步骤8 :各子滤波器进行量测更新； 步骤9 :各子滤波器进行性能监控，判断其运行是否正常；若判断结果为正常，则执行步骤10，否则执行步骤11 ； 步骤10 :各子滤波器将步骤8的量测更新结果作为本地导航估计输出，返回步骤1，开始执行下一个计算周期； 步骤11 :各子滤波器将步骤3的时间更新结果作为本地导航估计输出，返回步骤1，开始执行下一个计算周期。
2.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于 步骤I中所述的各子滤波器初始化，其实现方法为 各子滤波器初始化是指确定各子滤波器在当前计算时刻tk的本地系统状态估计初值Ii+及相应的误差协方差矩阵初值Pnjt; 对于整体算法的起始时刻，即h时刻，各子滤波器系统状态估计初值X包括相应本地航天器在惯性参照坐标系中的位置矢量估计初值4和速度矢量估计初值;A + I^Y=； LVjfJo(I) 设h时刻本地航天器的系统状态真实值为Xtl,则相应的误差协方差矩阵初值^按照下式计算 &,=￡{[之+-叉0][右-10 ]Γ}」l」I(2) 若缺乏系统状态真实值Xtl的必要信息，根据工程经验确定对于tk(k=l，2，…)时亥IJ，文丨和等于上一步计算时刻的估计输出。
3.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于 步骤2中所述的各子滤波器进行本地状态采样，其实现方法为各子滤波器依据tk时刻本地状态估计初值文:及相应的误差协方差矩阵初值Pm，并行地使用下面的对称采样算法计算相应的本地状态采样:
4.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于 步骤3中所述的各子滤波器进行时间更新，其实现方法为 首先定义子滤波器状态动力学模型fx ( ·)，与公式(I)对应，导航系统状态矢量X包含航天器在相应中心天体惯性系下的位置矢量r以及速度矢量V，导航系统状态动力学模型
5.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于 步骤4中所述的各航天器之间建立星间通信链路并保持跟踪，其实现方法为 星间通信链路的建立和保持跟踪，通过星载空间通信及其链路捕获、跟踪、瞄准系统来完成；首先利用各航天器星载通信发射端机产生星间通信信号，通过天线向满足可视条件的其它航天器发射；后者使用天线和接收端机对星间通信信号进行捕获和确认，然后返回信标到发射端，从而完成初步的链路锁定，建立通信链路；接下来发射端航天器根据目标航天器的估计方位，驱动天线ATP伺服机构完成粗跟踪指向，然后提取通信信号的测角信息，导入信号发射方向微调反馈控制回路，保持通信链路稳定精确指向。
6.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于 步骤5中所述的已建立星间链路的航天器进行星间跟踪观测，其实现方法为 首先定义航天器星间跟踪观测量包括航天器间的相对距离，相对速度和导航计算坐标系中的相对方位；以航天器A对航天器B的测量为例，假设其在惯性参考坐标系，记为i系中的位置矢量分别为4和4，速度矢量分别为弋和4，相对视线矢量即相对位置矢量为,d相对速度矢量为相对距离为Pab，相对速度为Au，相对方位单位矢量力《U; 采用伪距式载波相位进行星间相对距离测量，利用无线电信号在空间定速传播的特性，测量其发射时刻与接收时刻的时间差来确定相对距离P B = C Δ ΑΒ (8) 式中，C为电磁波传播速度，即光速；Λ tAB是测量信号的传播时间，由测距设备测定； 利用多普勒频移可测定相对速度，测量关系为
7.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于 步骤6中所述的经星间链路共享各子滤波器的状态采样信息，其实现方法为 经由星间链路，在各个测量相关的航天器间共享相应各子滤波器在步骤2中产生的状态采样信息；对于每个子滤波器，在将本地状态采样ip上传至星间链路的同时，获得来自所有与其存在星间测量的子滤波器的外部状态采样信息^^>。
8.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于 步骤7中所述的各子滤波器进行本地相关量测采样，其实现方法为 首先定义观测模型，对于某个航天器对应的子滤波器，定义本地相关观测模型匕(·)包括该航天器和所有与其存在星间测量链路的航天器间的相对距离观测模型、相对速度观测模型和相对方位观测模型； 根据步骤5中的变量定义，以航天器A和航天器B为例，每一个星间观测量都至少同时与两个航天器的状态相关，相对距离观测模型为
9.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于 步骤8中所述的各子滤波器进行量测更新，其实现方法为 各子滤波器首先并行地计算相应的本地状态量测协方差矩阵
10.根据权利要求I所述的一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，其特征在于步骤9中所述的各子滤波器进行性能监控，判断滤波器运行是否正常，其实现方法为 针对成员航天器可能出现测量或计算失效而造成算法故障的情况，承袭各成员航天器单独估计自身状态的独立估计方式，每个子滤波器独立检测自身故障；故障检测算法采用基于新息的经验卡方分布分析法，方法步骤如下 首先通过下面的表达式计算tk+1时刻的新息ε k+1
全文摘要
一种应用星间跟踪的航天器星座分散化自主导航方法，它有如下步骤一、各子滤波器初始化；二、各子滤波器进行本地状态采样；三、各子滤波器进行时间更新；四、各航天器之间建立星间通信链路并保持跟踪；五、已建立星间链路的航天器进行星间跟踪观测；六、经星间链路共享各子滤波器的状态采样信息；七、各子滤波器进行本地相关量测采样；八、各子滤波器进行量测更新；九、各子滤波器进行性能监控，判断其运行是否正常；十、各子滤波器将步骤八的量测更新结果作为本地导航估计输出，返回步骤一，开始执行下一个计算周期；十一、各子滤波器将步骤三的时间更新结果作为本地导航估计输出，返回步骤一，开始执行下一个计算周期。
文档编号G01C21/24GK102679985SQ20121014629
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者徐世杰, 石恒, 陈统 申请人:北京航空航天大学