基于平方根滤波的卫星星间链路自主定轨方法及系统与流程

本发明涉及卫星导航，特别是涉及一种基于平方根滤波的卫星星间链路自主定轨方法及系统。

背景技术：

1、全球卫星导航系统作为为地表用户提供实时精确位置时间信息的重大基础设施，在国防、交通、通讯、电力、金融等军民用重大领域广泛应用。传统卫星导航系统由地面运控系统、卫星系统和用户系统组成，主要利用地面运控系统监测站获取观测信息，利用地面运控系统主控站综合处理观测信息并生成导航卫星必须的轨道、钟差等导航星历参数，上注到卫星，由卫星转发给用户实现导航定位服务。当地面运控系统受自然或人为因素被毁时，将导致卫星导航系统失去服务能力。为此，以gps、北斗为代表的卫星导航系统增加了星间链路载荷并提升了星载数据处理能力，使得卫星导航系统可以在轨实施自主定轨和时间同步数据处理，并自主实现导航星历更新，从而为卫星导航系统提供了一种不依赖于地面运控系统的自主导航能力。

2、利用卫星实现自主定轨和时间同步处理时，由于星载处理器的运算能力、存储能力以及在轨可靠性相比地面处理器有较大差距，地面运控系统通常采用的集中式处理模式很难直接照搬到星上，需要设计新算法简化单颗卫星的星载运算量。为此，北斗卫星导航系统在自主导航实现中采用了一种近似分布式滤波处理模式，简称等效观测分布式处理方法。在等效观测分布式处理方法中，每颗卫星在每次获取可建链卫星的星间测距观测量后，通过卡尔曼(kalman)滤波测量更新和时间更新过程，改进自己的位置速度等状态参数和协方差信息。在进行kalman滤波测量更新处理时，每颗卫星均将与自己建链卫星的预报轨道作为已知参数，以建链卫星的轨道预报位置作为参考值，将轨道位置协方差信息作为等效测量误差参与自主定轨数据处理。上述分布式滤波处理算法计算过程简单易实现，当每颗卫星能够获取的建链卫星数量较多时，能够得到一定精度的自主定轨结果。但上述等效观测分布式处理方法的缺点也是明显的，由于滤波处理过程中完全忽略了可测卫星状态参数之间的协方差信息，滤波结果对卫星测量几何构型有较高要求，尤其当每颗卫星获取的星间链路观测较少时，滤波精度较差且结果很难稳定收敛。

3、为解决等效观测分布式处理方法未充分考虑卫星状态参数协方差信息问题，p aferguson提出了一种施密特卡尔曼(schmidt kalman)分布式滤波方法。schmidt kalman分布式滤波方法中，卫星全部状态参数分为两类，即实际需要估计的卫星状态参数(每颗卫星自己的状态参数)和不需要估计的关联参数(其它卫星的状态参数)。在schmidt kalman分布式滤波测量更新数据处理过程中，每颗仅估计并更新自己的卫星状态参数，而对于关联的其它卫星参数仅考虑其协方差信息影响。schmidt kalman分布式滤波方法综合考虑了卫星状态参数之间协方差信息影响，相比等效观测分布式处理仅考虑卫星自协方差而忽略其它信息的方式，其采用的协方差信息更加全面，参数估计精度理论更优，估计结果更加稳定。然而，将schmidt kalman滤波方法直接应用于星间测量自主定轨数据处理时，由于星间测量自主定轨观测方程接近秩亏，造成滤波器协方差矩阵极易失去正定性，导致schmidtkalman分布式滤波方法快速发散。尽管通过增加辅助地面站观测量可一定程度上改善观测方程秩亏性从而延缓滤波器发散速度，但不能从根本上解决问题。

4、因此，现有的卫星星间链路自主定轨方法不仅定轨精度低，而且稳定性差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于平方根滤波的卫星星间链路自主定轨方法及系统，提高了卫星星间链路自主定轨精度和稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于平方根滤波的卫星星间链路自主定轨方法，所述方法包括：

4、对导航系统中的n个卫星分别与所述导航系统中的除当前卫星之外的卫星进行两两组合，得到n×(n-1)个卫星组合；每个卫星组合均包括本卫星和建链卫星，所述导航系统中的n个卫星均作为一次本卫星，一个本卫星对应n-1个卫星组合；n>1；

5、初始化所述导航系统中每个本卫星的预设轨道的状态参数；所述状态参数包括位置、速度和太阳光压参数；

6、构建每个卫星组合的星间测距观测方程、第一卫星动力学方程和第二卫星动力学方程；所述第一卫星动力学方程为本卫星的卫星动力学方程，所述第二卫星动力学方程为建链卫星的卫星动力学方程；所述星间距观测方程为关于本卫星实际的状态参数、本卫星对应的预设轨道的状态参数、建链卫星实际的状态参数和建链卫星对应的预设轨道的状态参数的函数，所述卫星动力学方程为关于卫星实际的状态参数、地球引力、太阳引力、月球引力、太阳光压和残余摄动力的函数；

7、基于本卫星的预设轨道的状态参数和第一卫星动力学方程，构建本卫星的卫星状态转移方程；

8、将所述导航系统中的每个卫星作为本卫星进行测量更新和时间更新，完成每个卫星的定轨；

9、其中，对于任一本卫星，进行测量更新和时间更新，完成卫星的定轨，具体包括：

10、判断当前时刻是否为预设最终时刻；

11、若是，则根据本卫星的当前时刻的n-1个状态参数测量更新修正量和本卫星的预设轨道的状态参数，确定本卫星的最终状态参数，完成本卫星的定轨；

12、若否，则在当前时刻时，利用卡尔曼滤波方法，对每个当前本卫星对应的n-1个卫星组合进行测量更新，得到本卫星的当前时刻的状态参数测量更新修正量和当前时刻的总协方差信息平方根矩阵更新值，并利用卡尔曼滤波方法，基于卫星状态转移方程，对每个当前本卫星对应的n-1个卫星组合进行时间更新，直到当前时刻为所述预设最终时刻；

13、其中，在任一时刻，对任一当前本卫星对应的n-1个卫星组合进行测量更新，具体包括：

14、基于第d个卫星组合中本卫星的预设轨道的状态参数和建链卫星的预设轨道的状态参数，构建第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵；所述总协方差信息平方根矩阵为关于第一自协方差信息平方根矩阵、第二自协方差信息平方根矩阵和互协方差信息平方根矩阵的矩阵，所述第一自协方差信息平方根矩阵为本卫星的状态参数的自协方差信息平方根矩阵，所述第二自协方差信息平方根矩阵为建链卫星的状态参数的自协方差信息平方根矩阵，所述互协方差信息平方根矩阵为本卫星的状态参数和建链卫星的状态参数的互协方差信息平方根矩阵；d＝1,2,...,n-1；

15、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第d个卫星组合的星间测距观测方程、本卫星实际的状态参数和本卫星对应的预设轨道的状态参数，确定本卫星的第d个状态参数测量更新修正量；

16、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵和星间测距观测方程，确定第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵更新值；

17、判断d是否小于n-1；

18、若是，则将第d个状态参数测量更新修正量确定为第d+1个卫星组合的本卫星的预设轨道的状态参数，并将第d个卫星组合替换为第d+1个卫星组合，返回“基于第d个卫星组合中本卫星的预设轨道的状态参数和建链卫星的预设轨道的状态参数，构建第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵”；

19、若否，则得到本卫星的n-1个状态参数测量更新修正量和当前本卫星对应的n-1个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵更新值；

20、其中，对于第e时刻，对每个当前本卫星对应的n-1个卫星组合进行时间更新，e>1，具体包括：

21、利用卫星状态转移方程，根据第e-1时刻的当前本卫星的n-1个状态参数测量更新修正量和当前本卫星的预设轨道的状态参数，确定第e时刻的状态参数；其中，初始时刻的当前本卫星n-1个状态参数测量更新修正量为预设修正量。

22、可选地，根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第d个卫星组合的星间测距观测方程、本卫星实际的状态参数和本卫星对应的预设轨道的状态参数，确定本卫星的第d个状态参数测量更新修正量，具体包括：

23、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵和星间测距观测方程，确定第d个卫星组合的第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量和测量权逆量；所述第一平方根滤波中间向量为本卫星的平方根滤波中间向量，所述第二平方根滤波中间向量为建链卫星的平方根滤波中间向量；

24、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量、测量权逆量、本卫星实际的状态参数和对应的预设轨道的状态参数确定本卫星的第d个状态参数测量更新修正量。

25、可选地，根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵和星间测距观测方程，确定第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵更新值，具体包括：

26、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵和星间测距观测方程，确定第d个卫星组合的第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量、测量权逆量和平方根滤波协方差衰减系数；所述第一平方根滤波中间向量为本卫星的平方根滤波中间向量，所述第二平方根滤波中间向量为建链卫星的平方根滤波中间向量；

27、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量、测量权逆量和平方根滤波协方差衰减系数，确定第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵更新值。

28、可选地，根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量、测量权逆量、本卫星实际的状态参数和对应的预设轨道的状态参数确定本卫星的第d个状态参数测量更新修正量，具体包括：

29、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量和测量权逆量，确定第d个卫星组合的状态参数更新增益矩阵；所述状态参数更新增益矩阵包括第一状态参数更新增益矩阵和第二状态参数更新增益矩阵，所述第一状态参数更新增益矩阵为本卫星的状态参数更新增益矩阵，所述第二状态参数更新增益矩阵为建链卫星的状态参数更新增益矩阵；

30、根据本卫星实际的状态参数、对应的预设轨道的状态参数和第d个卫星组合的状态参数更新增益矩阵确定本卫星的第d个状态参数测量更新修正量。

31、可选地，根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量、测量权逆量和平方根滤波协方差衰减系数，确定第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵更新值，具体包括：

32、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量、测量权逆量，确定第d个卫星组合的状态参数更新增益矩阵；所述状态参数更新增益矩阵包括第一状态参数更新增益矩阵和第二状态参数更新增益矩阵，所述第一状态参数更新增益矩阵为本卫星的状态参数更新增益矩阵，所述第二状态参数更新增益矩阵为建链卫星的状态参数更新增益矩阵；

33、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第一平方根滤波中间向量、第二平方根滤波中间向量、平方根滤波协方差衰减系数、和状态参数更新增益矩阵，确定第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵更新值。

34、一种基于平方根滤波的卫星星间链路自主定轨系统，所述系统包括：

35、卫星组合确定模块，用于对导航系统中的n个卫星分别与所述导航系统中的除当前卫星之外的卫星进行两两组合，得到n×(n-1)个卫星组合；每个卫星组合均包括本卫星和建链卫星，所述导航系统中的n个卫星均作为一次本卫星，一个本卫星对应n-1个卫星组合；n>1；

36、预设轨道初始化模块，用于初始化所述导航系统中每个本卫星的预设轨道的状态参数；所述状态参数包括位置、速度和太阳光压参数；

37、第一方程构建模块，用于构建每个卫星组合的星间测距观测方程、第一卫星动力学方程和第二卫星动力学方程；所述第一卫星动力学方程为本卫星的卫星动力学方程，所述第二卫星动力学方程为建链卫星的卫星动力学方程；所述星间距观测方程为关于本卫星实际的状态参数、本卫星对应的预设轨道的状态参数、建链卫星实际的状态参数和建链卫星对应的预设轨道的状态参数的函数，所述卫星动力学方程为关于卫星实际的状态参数、地球引力、太阳引力、月球引力、太阳光压和残余摄动力的函数；

38、第二方程构建模块，用于基于本卫星的预设轨道的状态参数和第一卫星动力学方程，构建本卫星的卫星状态转移方程；

39、定轨模块，用于将所述导航系统中的每个卫星作为本卫星进行测量更新和时间更新，完成每个卫星的定轨；

40、其中，在对于任一本卫星，进行测量更新和时间更新，完成卫星的定轨方面，所述定轨模块具体用于：

41、判断当前时刻是否为预设最终时刻；

42、若是，则根据本卫星的当前时刻的n-1个状态参数测量更新修正量和本卫星的预设轨道的状态参数，确定本卫星的最终状态参数，完成本卫星的定轨；

43、若否，则在当前时刻时，利用卡尔曼滤波方法，对每个当前本卫星对应的n-1个卫星组合进行测量更新，得到本卫星的当前时刻的状态参数测量更新修正量和当前时刻的总协方差信息平方根矩阵更新值，并利用卡尔曼滤波方法，基于卫星状态转移方程，对每个当前本卫星对应的n-1个卫星组合进行时间更新，直到当前时刻为所述预设最终时刻；

44、其中，在任一时刻，对任一当前本卫星对应的n-1个卫星组合进行测量更新，具体包括：

45、基于第d个卫星组合中本卫星的预设轨道的状态参数和建链卫星的预设轨道的状态参数，构建第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵；所述总协方差信息平方根矩阵为关于第一自协方差信息平方根矩阵、第二自协方差信息平方根矩阵和互协方差信息平方根矩阵的矩阵，所述第一自协方差信息平方根矩阵为本卫星的状态参数的自协方差信息平方根矩阵，所述第二自协方差信息平方根矩阵为建链卫星的状态参数的自协方差信息平方根矩阵，所述互协方差信息平方根矩阵为本卫星的状态参数和建链卫星的状态参数的互协方差信息平方根矩阵；d＝1,2,...,n-1；

46、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵、第d个卫星组合的星间测距观测方程、本卫星实际的状态参数和本卫星对应的预设轨道的状态参数，确定本卫星的第d个状态参数测量更新修正量；

47、根据第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵和星间测距观测方程，确定第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵更新值；

48、判断d是否小于n-1；

49、若是，则将第d个状态参数测量更新修正量确定为第d+1个卫星组合的本卫星的预设轨道的状态参数，并将第d个卫星组合替换为第d+1个卫星组合，返回“基于第d个卫星组合中本卫星的预设轨道的状态参数和建链卫星的预设轨道的状态参数，构建第d个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵”；

50、若否，则得到本卫星的n-1个状态参数测量更新修正量和当前本卫星对应的n-1个卫星组合的总协方差信息平方根矩阵更新值；

51、其中，对于第e时刻，对每个当前本卫星对应的n-1个卫星组合进行时间更新，e>1，具体包括：

52、利用卫星状态转移方程，根据第e-1时刻的当前本卫星的n-1个状态参数测量更新修正量和当前本卫星的预设轨道的状态参数，确定第e时刻的状态参数；其中，初始时刻的当前本卫星n-1个状态参数测量更新修正量为预设修正量。

53、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

54、本发明公开了一种基于平方根滤波的卫星星间链路自主定轨方法及系统，利用卫星组合中自协方差信息平方根矩阵和互协方差信息平方根矩阵进行测量更新和时间更新，实现了基于星间测量分布式自主定轨，解决了由于星间测距观测方程的近秩亏性，导致传统schmidt分布式kalman滤波计算过程中协方差矩阵易失去正定性，因而造成滤波处理结果极易发散问题，显著提高了星间链路分布式自主定轨数据处理的精度和稳定性。