一种低轨卫星星座自主定轨方法及系统

摘要

本发明公开了一种低轨卫星星座自主定轨方法及系统，包括获取星间链路测距数据、星载GNSS接收机观测数据；利用观测数据组建观测模型，并对观测数据进行预处理；利用预处理后的观测数据进行星上PPP解算，得到每颗低轨卫星的在轨粗略空间位置；选择定轨摄动改正力学模型建立低轨卫星动力学微分方程；联合观测模型建立定轨函数模型；构造随机模型，融合定轨函数模型和随机模型建立联合平差模型，得到低轨卫星定轨结果；利用星间链路测距数据构建低轨卫星星座空间网络，结合联合平差模型，得到低轨卫星星座自主定轨结果，直接使用星间链路测距数据和GNSS接收机观测数据实现低轨卫星星上高精度安全自主定轨。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星定轨技术领域，具体涉及一种低轨卫星星座自主定轨方法及系统。

背景技术

随着低轨卫星在不同领域的逐步开展和深入使用，低轨卫星逐渐的以星座的形式出现，并且在某些领域对低轨卫星轨道的定轨精度需求越来越高，目前GNSS的高精度定轨产品都是各个数据分析中心通过分析大量地面监测站的GNSS观测值产生的，但由于国际上政治因素、地缘因素、以及数据安全落地可靠性要求等原因，目前无法实现大量国外建站，增加了通过本国建立的有限地面站数量对低轨星座进行连续安全可控的监测的难度。现有技术中有利用星载GNSS接收机的双频测距码伪距和载波相位观测值，并结合地面IGS超快速星历，实现低轨卫星实时定轨的方法；有利用地面站提供的修正信息对导航卫星定位信息进行修正，利用修正后的导航卫星定位信息对低轨卫星进行定轨的方法；利用低轨卫星搭载的可见光相机对高轨航天器进行测距，结合低轨卫星的粗略星历和高轨航天器的精密星历对低轨卫星进行精密定轨的方法；有联合地面监测站LEO观测数据和GNSS观测数据对LEO卫星进行短弧段的定轨的方法；还有利用Galileo定位系统、卫星激光测距技术和卫星通信技术组合的中低轨卫星精密定轨的方法。现有技术中均提出的是针对单个低轨卫星、并且高度依赖地面监测站、和IGS数据产品的定轨方法，未将星间链路测距和数据安全性需求纳入考虑。

发明内容

本发明所要解决的问题是现有技术中地面监测站数量较少，且地面监测站所在地理位置分布不均匀造成低轨卫星星座定轨不准确，本发明提供一种低轨卫星星座自主定轨方法及系统，不经过地面监测站，直接使用星间链路数据和GNSS接收机观测数据实现低轨卫星星上高精度安全自主定轨。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明一种低轨卫星星座自主定轨方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取星间链路测距数据、星载GNSS接收机观测数据；

步骤S2、根据星载GNSS接收机观测数据，构建联合平差模型，得到低轨卫星定轨结果，具体过程为：

步骤S21、对星载GNSS接收机观测数据进行预处理；

步骤S22、根据预处理后的观测数据进行星上PPP解算，得到每颗低轨卫星的在轨粗略空间位置；

步骤S23、根据低轨卫星的在轨粗略空间位置和太阳历书，采用自适应算法选择定轨摄动改正力学模型建立低轨卫星动力学微分方程；

步骤S24、根据星载GNSS接收机观测数据组建观测模型，联合低轨卫星动力学微分方程和所述观测模型建立定轨函数模型；

步骤S25、构造随机模型，融合定轨函数模型和随机模型建立联合平差模型，根据联合平差模型得到低轨卫星定轨结果；

步骤S3、根据步骤S1中的星间链路测距数据构建低轨卫星星座空间网络，以步骤S2得到的低轨卫星定轨结果为基础，根据低轨卫星星座空间网络和联合平差模型，得到低轨卫星星座自主定轨结果。

现有技术中GNSS的高精度定轨产品都是各个数据分析中心通过分析大量地面监测站的GNSS观测值产生，但由于地面监测站数量较少，且地面监测站所在地理位置分布不均匀，增加了通过有限地面监测站数量对低轨星座进行连续安全可控的监测的难度，并且现有技术中对地轨卫星定轨主要针对单颗地轨卫星的定轨，在本方案中将星间链路测距数据融入到了低轨卫星定轨中，增加了低轨卫星的几何构型，提高低轨卫星定轨精度，根据星间链路测距数据构建的星座空间网络，星间链路可以确定每颗卫星的相互位置关系，增强了定位的可靠性和精度。

进一步优选，所述预处理过程包括周跳探测和粗差探测。

进一步优选，所述周跳探测过程为：

采用M-w组合法对星载GNSS接收机观测数据进行首次周跳探测，得到首次周跳探测结果；

采用GF组合法对首次周跳探测结果进行二次周跳探测，得到周跳探测结果。

进一步优选，上述星上PPP解算采用非差无电离层观测模型。

进一步优选，上述自适应算法的具体过程为：

计算低轨卫星分别与地球、太阳的空间位置关系及构成的角度关系；

根据低轨卫星分别与地球、太阳的空间位置关系及构成的角度关系，采用自适应判断条件自主选择不同角度情况下的定轨摄动改正力学模型。

进一步优选，上述自适应判断条件为ECOM模型、BOX-wing模型、重力场模型和固体潮改正模型使用的条件。

进一步优选，上述观测模型为非差无电离层组合观测模型。

进一步优选，构造随机模型的步骤为：

获取星载GNSS接收机接收到的导航信号与星载GNSS接收机测量的截止高度角；

对导航信号进行卫星信号质量分析，得到卫星信号质量信噪比；

根据所述星载GNSS接收机测量出的截止高度角与卫星信号质量信噪比对导航信号进行自适应定权，得到自适应定权值；

根据自适应定权值构造所述随机模型。

自适应定权值为计算接收到的导航信号参与到定位解算中的权重，接收到的导航信号为四大导航系统导航信号中的任意一种。

进一步优选，所述联合平差模型采用平差处理方法，所述平差处理方法为根据自适应定权值采用卡尔曼滤波的数据处理方法。

另外，本发明提供一种低轨卫星星座自主定轨系统，用于实现上述方法，包括数据获取模块，构建模型模块，数据处理模块，自主定轨模块，其中，

所述数据获取模块用于获取星间链路测距数据、星载GNSS接收机观测数据、导航信号与星载GNSS接收机截止高度角；

所述构建模型模块根据所述数据获取模块获取到的数据进行模型的构建，包括根据星载GNSS接收机观测数据组建观测模型、根据星间链路测距数据构建的低轨卫星星座空间网络、根据导航信号与星载GNSS接收机截止高度角构建的随机模型，根据观测模型联合低轨卫星动力学微分方程建立定轨函数模型，根据定轨函数模型和随机模型建立联合平差模型；

所述数据处理模块根据构建模型模块构建的模型对低轨卫星进行处理，得到低轨卫星及低轨卫星星座的定轨结果；

所述自主定轨模块用于根据所述数据处理模块得到的定轨结果实现卫星星座的自主定轨。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种低轨卫星星座自主定轨方法，使用星间链路测距数据和星载GNSS接收机观测数据实现低轨卫星星上高精度安全自主定轨，将星间链路测距数据融入到了低轨卫星定轨中，增强了低轨卫星的几何构型，提高低轨卫星定轨精度，对多个低轨卫星组建的星座进行定轨，实现在有限数量地面监测站情况下，对视场外低轨卫星的快速自主定轨、并通过星间链路传卫星轨道信息，完成对视场外的卫星的安全监控从而对低轨卫星星座进行连续安全可控的监测，本发明直接在低轨卫星上完成定轨，不用额外建立地面监测站解决建站成本高的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本实施例1中提出一种低轨卫星星座自主定轨方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取星间链路测距数据、星载GNSS接收机观测数据；

步骤S2、根据星载GNSS接收机观测数据，构建联合平差模型，得到低轨卫星定轨结果，

步骤S3、根据步骤S1中的星间链路测距数据构建低轨卫星星座空间网络，以步骤S2得到的低轨卫星定轨结果为基础，根据低轨卫星星座空间网络和联合平差模型，得到低轨卫星星座自主定轨结果。

进一步地来说，步骤S2的具体过程为：

步骤S21、对星载GNSS接收机观测数据进行预处理；

步骤S22、根据预处理后的观测数据进行星上PPP解算，得到每颗低轨卫星的在轨粗略空间位置；

步骤S23、根据低轨卫星的在轨粗略空间位置和太阳历书，采用自适应算法选择定轨摄动改正力学模型建立低轨卫星动力学微分方程；

步骤S24、根据星载GNSS接收机观测数据组建观测模型，联合低轨卫星动力学微分方程和所述观测模型建立定轨函数模型；

步骤S25、构造随机模型，融合定轨函数模型和随机模型建立联合平差模型，根据联合平差模型得到低轨卫星定轨结果。

现有技术中GNSS的高精度定轨产品都是各个数据分析中心通过分析大量地面监测站的GNSS观测值产生，但由于地面监测站数量较少，且地面监测站所在地理位置分布不均匀，增加了通过有限地面监测站数量对低轨星座进行连续安全可控的监测的难度，并且现有技术中对地轨卫星定轨主要针对单颗地轨卫星的定轨，在本方案中将星间链路测距数据融入到了低轨卫星定轨中，增加了低轨卫星的几何构型，提高低轨卫星定轨精度，根据星间链路测距数据构建的星座空间网络，星间链路可以确定每颗卫星的相互位置关系，增强了定位的可靠性和精度。

具体地，步骤S21的预处理过程包括周跳探测和粗差探测，周跳探测过程为：

步骤S211、采用M-w组合法对星载GNSS接收机观测数据进行首次周跳探测，得到首次周跳探测结果；

步骤S212、采用GF组合法对首次周跳探测结果进行二次周跳探测，得到周跳探测结果。

具体地，步骤S22中的星上PPP解算采用非差无电离层观测模型。

具体地，步骤S23中的自适应算法的具体过程为：

计算低轨卫星分别与地球、太阳的空间位置关系及构成的角度关系；

根据低轨卫星分别与地球、太阳的空间位置关系及构成的角度关系，采用自适应判断条件自主选择不同角度情况下的定轨摄动改正力学模型。

具体地，上述自适应判断条件为ECOM模型、BOX-wing模型、重力场模型和固体潮改正模型使用的条件。

具体地，上述观测模型为非差无电离层组合观测模型。

具体地，步骤S25中构造随机模型的步骤为：

步骤S251、获取星载GNSS接收机接收到的导航信号与星载GNSS接收机测量的截止高度角；

步骤S252、对导航信号进行卫星信号质量分析，得到卫星信号质量信噪比；

步骤S253、根据星载GNSS接收机测量出的截止高度角与卫星信号质量信噪比对导航信号进行自适应定权，得到自适应定权值；

步骤S254、根据自适应定权值构造随机模型。

自适应定权值为计算接收到的导航信号参与到定位解算中的权重，接收到的导航信号为四大导航系统导航信号中的任意一种。

实施例2

本实施例2提供一种低轨卫星星座自主定轨系统，用于实现实施例1中的方法，包括数据获取模块，构建模型模块，数据处理模块，自主定轨模块，其中，

数据获取模块用于获取星间链路测距数据、星载GNSS接收机观测数据、导航信号与星载GNSS接收机截止高度角；

构建模型模块根据数据获取模块获取到的数据进行模型的构建，包括根据星载GNSS接收机观测数据组建观测模型、根据星间链路测距数据构建的低轨卫星星座空间网络、根据导航信号与星载GNSS接收机截止高度角构建的随机模型，根据观测模型联合低轨卫星动力学微分方程建立定轨函数模型，根据定轨函数模型和随机模型建立联合平差模型；

数据处理模块根据构建模型模块构建的模型对低轨卫星进行处理，得到低轨卫星及低轨卫星星座的定轨结果；

自主定轨模块用于根据数据处理模块得到的定轨结果实现卫星星座的自主定轨。

具体实现方法和实施例1一致，在此不一一赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。