一种基于GNSS观测实现大型低轨航天器质心位移估算的方法与流程

技术特征：

1.一种基于gnss观测实现大型低轨航天器质心位移估算的方法，其特征在于：对于航天器内部有两个位置点，分别为真正的动力学质心和已知的参考质心，则动力学质心与参考质心之间的位移为质心位移；通过定性分析得出了质心位移在轨道径向和法向存在分量时，具备质心位移估计的可行性，若质心位移一直处于轨道切向，则不具备质心位移估计的可行性；所述方法具体包括如下步骤，

s1、定性分析航天器本体xb方向质心位移估计的可行性；

s2、在卫星处于偏航模式下，利用卫星在在轨实测gnss观测数据并根据载波相位消电离组合观测模型进行最小二乘批处理精密定轨，估算质心位移量，验证了质心位移估计的可行性。

2.根据权利要求1所述的基于gnss观测实现大型低轨航天器质心位移估算的方法，其特征在于：步骤s1包括三种情况，

a、假设这两个质心仅在轨道坐标系中的轨道径向存在位置差，则两质心由于轨道高度不相同造成轨道周期存在差异，随着时间增加，gnss测量的参考质心与动力学质心的位置差越来越大，所以轨道径向上的质心位移是可以估计的；

b、假设这两个质心仅在轨道坐标系中的轨道法向上存在位置差，则两质心运行轨道面存在一定夹角，位置差将发生周期性变化，所以轨道法向上的质心位移是可以估计的；

c、假设这两个质心仅在轨道坐标系中的轨道切向上存在位置差，在航天器结构尺度下，两个质心的轨迹是相同的，它们的相对位置关系固定不变，所以轨道切向上的质心位移是无法估计的；大型航天器燃料消耗引起的航天器质心位移在本体xb轴方向变化最为显著，在航天器处于三轴对地稳定姿态下，航天器本体xb轴与轨道切向重合，无法通过gnss测量实现对本体xb轴方向的质心位移估计，而在偏航模式下，本体xb轴在轨道法向上有较大分量，轨道法向上的质心位移具备估计的可行性，因此，在偏航姿态模式下，航天器本体xb轴上的质心位移是可以估计的。

3.根据权利要求1所述的基于gnss观测实现大型低轨航天器质心位移估算的方法，其特征在于：步骤s2包括如下内容，

s21、载波相位消电离组合观测模型为公式一，

其中，lif(t)为载波相位消电离观测值；r代表航天器；s代表某一颗gnss星座卫星；t为信号接收时间；为航天器接收机天线相位中心和gnss卫星天线相位中心的几何距离；δtr(t)为接收机在t时刻的钟差；为gnss卫星在信号发射时刻的钟差；为信号传输时间；c为光速；λif为波长；nif为载波相位的整周数；为测量噪音；为天线相位中心校正以及重力场延迟的总误差；

s22、观测模型(公式一)在初值状态附近进行线性化；

s23、航天器接收机天线相位中心和gnss卫星天线相位中心的几何距离在参考质心处进行线性化，获得包括质心位移参数的线性化观测模型。

4.根据权利要求3所述的基于gnss观测实现大型低轨航天器质心位移估算的方法，其特征在于：采用公式二对航天器接收机天线相位中心和gnss卫星天线相位中心的几何距离进行线性化，

其中，为航天器的参考质心位置yr0(t)与gnss卫星质心位置y^s(t)的几何距离；rpco,m为航天器动力学质心到gnss天线相位中心的向量；rpco为航天器参考质心到gnss天线相位中心的向量；roffsets为航天器的参考质心和动力学质心之间的质心位移偏差，也就是质心位移，即待估参数；为航天器指向gnss卫星的单位向量。

5.根据权利要求4所述的基于gnss观测实现大型低轨航天器质心位移估算的方法，其特征在于：步骤s3具体包括，

s231、利用公式三对质心偏移量计算偏导数，

s232、在观测时间段[t0,tn]内，将待估参数进行分类，包括nt维gnss接收机钟差参数、(11+3n)维动力学待估参数以及载波相位模糊度参数；

nt维gnss接收机钟差参数表示为公式四，

(11+3n)维动力学待估参数表示为公式五，

y＝(roffsets,y0^t,cd,cr,a0^t,...,an-1^t)^t(公式五)

载波相位模糊度参数表示为公式六，

其中，roffsets表示航天器的参考质心和动力学质心之间的质心位移；y0表示卫星在t0时刻的位置与速度；cd和cr分别表示大气阻力系数和太阳辐射光压系数；ai为作用在[t0+iτ,t0+(i+1)τ]时间段内的经验加速度，在该时间段内保持常数，i＝0,…,na-1，na·τ＝(tn-t0)；每个经验加速度的作用时间均为τ；

s233、待估参数初值表示为(t0,y0,b0)，具体由公式七获取，

其中，δt、δy和δb分别为时钟参数、动力学参数以及载波相位模糊度在迭代过程中的更新值；

通过公式八计算待估参数的更新值，

其中，h为载波相位消电离组合观测模型；z为载波相位消电离组合观测值；w为权重矩阵；

将设计矩阵定义为公式九，

公式八可简化为公式十，

其中p和q代表向量t,y和b中的任意一个；

s234、利用公式十进行迭代计算，并将每次迭代计算得到的更新值(δt,δy,δb)累加到初值参数(t0,y0,b0)上，并将更新后的参数(t,y,b)作为新的初值，进行下一次迭代计算，直到最终收敛，动力学参数y中包括质心位移参数，从而最终获取质心位置。

技术总结
本发明公开了一种基于GNSS观测实现大型低轨航天器质心位移估算的方法，所述方法包括，S1、定性分析大型航天器本体Xb方向质心位移估计的可行性，当质心位移处于轨道径向和法向上，具备质心估计的可行性；S2、在卫星处于偏航模式下，利用卫星在轨实测GNSS观测数据并根据载波相位消电离组合观测模型进行最小二乘批处理精密定轨，估算质心位移量，验证了质心估计的可行性。优点是：质心位移估计可行性在轨道坐标系三个方向中是不相同的，所以提出利用偏航姿态下的GNSS数据解决大型航天器动力学质心位移确定的问题，采用合适测量手段和估计方法，确定航天器动力学质心位置。

技术研发人员：王文彬;金哲阳;刘江凯
受保护的技术使用者：中国科学院空间应用工程与技术中心
技术研发日：2020.03.23
技术公布日：2020.06.12