本發(fā)明公開了一種適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法，屬于星座導(dǎo)航的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

自組織星座的概念是相對于傳統(tǒng)衛(wèi)星星座提出的。傳統(tǒng)衛(wèi)星星座通常由運載火箭將星座中的每一顆衛(wèi)星送至預(yù)定位置。因此，發(fā)射傳統(tǒng)衛(wèi)星星座需要專用運載火箭，費用昂貴。自組織星座的部署不采用專用運載火箭，而是采用搭載等方式將衛(wèi)星送入到與主任務(wù)衛(wèi)星相似的軌道，從而構(gòu)成星座。

衛(wèi)星的自主導(dǎo)航研究在不依賴地面站的條件下僅依靠衛(wèi)星上的測量設(shè)備實時確定衛(wèi)星的位置和速度、在軌完成飛行任務(wù)。根據(jù)所采用的敏感器與測量信息的不同，衛(wèi)星自主導(dǎo)航手段也不同，目前應(yīng)用較多的衛(wèi)星自主導(dǎo)航技術(shù)有基于磁強計、雷達高度計、星敏感器、紫外敏感器、GPS等的自主導(dǎo)航技術(shù)。

目前的星座自主導(dǎo)航研究是在單星自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，基于傳統(tǒng)星座構(gòu)型研究星座的星間雙向測距、數(shù)據(jù)交換及處理等技術(shù)。自組織星座中衛(wèi)星必須適應(yīng)主星的發(fā)射條件和運行軌道，星座衛(wèi)星的軌道不規(guī)則，使得自組織星座的構(gòu)型存在不穩(wěn)定性，針對規(guī)則傳統(tǒng)星座的星間測距和數(shù)據(jù)通信等方法無法在自組織星座中衛(wèi)星運行的過程中不間斷實施。

研究表明僅利用單星自主導(dǎo)航不足以維持自組織星座的性能要求，而自組織星座的軌道特殊性又不允許對整個星座實施不間斷的星間通訊鏈路。針對這一問題，本申請旨在提出一種能夠適應(yīng)自組織星座導(dǎo)航精度需求且能夠?qū)崿F(xiàn)整個星座不間斷通信的導(dǎo)航方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了一種適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法，實現(xiàn)了自組織星座導(dǎo)航并提高了導(dǎo)航精度，解決了自組織星座受衛(wèi)星軌道不規(guī)則約束的技術(shù)問題。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

一種適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法，包括如下步驟：

A、根據(jù)各顆衛(wèi)星的運行軌道計算自組織星座的星座周期；

B、對每顆衛(wèi)星進行單星導(dǎo)航；

C、為每顆衛(wèi)星及其可見衛(wèi)星選取星間通訊衛(wèi)星以及星間通訊時刻；

D、在衛(wèi)星運行到星間通訊時刻時與其星間通訊衛(wèi)星傳輸星間測量信息以及單星導(dǎo)航信息；

E、融合處理整個星座的所有星間測量信息以及單星導(dǎo)航信息。

作為所述適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法的進一步優(yōu)化方案，步驟A所述根據(jù)各顆衛(wèi)星的運行軌道計算自組織星座的星座周期，具體方法為：觀測衛(wèi)星運行軌道，將具有相同或極為相似運行軌道的衛(wèi)星劃分為一組并對每組衛(wèi)星中的各顆衛(wèi)星進行標記，以各組衛(wèi)星周期的最小公倍數(shù)為自組織星座的星座周期。

進一步的，所述適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法中，步驟B采用基于磁強計的磁導(dǎo)航方法對每顆衛(wèi)星進行單星導(dǎo)航，濾波方式通過自適應(yīng)擴展卡爾曼濾波算法實現(xiàn)，實時估計方差為：其中，k表示測量時刻，k通過滑動數(shù)據(jù)窗口長度W度量，d_k是k時刻濾波器實際觀測值和k-1時刻對k時刻預(yù)測的觀測值之差，i＝k-W+1，d_i是i時刻濾波器實際觀測值和i-1時刻對i時刻預(yù)測的觀測值之差，分別為滑動數(shù)據(jù)窗口長度為k-1、k時的估計方差。

作為所述適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法的進一步優(yōu)化方案，步驟C采用運籌學(xué)的動態(tài)規(guī)劃思想為每顆衛(wèi)星及其可見衛(wèi)星選取星間通訊衛(wèi)星以及星間通訊時刻，具體為：

C1、依據(jù)每顆衛(wèi)星及其與可見星距離最近的時刻，對整個星座周期進行節(jié)點劃分并標注各節(jié)點；

C2、按照衛(wèi)星可見星的數(shù)目排列各衛(wèi)星，以可見星數(shù)目最少的衛(wèi)星為第一級星間通信衛(wèi)星；

C3、依據(jù)優(yōu)先選取與上一級星間通信衛(wèi)星可見頻率最低的衛(wèi)星作為下一級星間通信衛(wèi)星的原則，從第一級衛(wèi)星開始選取各級星間通信衛(wèi)星以構(gòu)建星間通訊環(huán)路，每一級星間通訊衛(wèi)星與上一級星間通訊衛(wèi)星的通訊時刻為當前級別星間通訊衛(wèi)星與上一級星間通訊衛(wèi)星第一次距離最近的時刻，當下級星間通訊衛(wèi)星與上級星間通訊衛(wèi)星重復(fù)或有多個星間通訊環(huán)路時，選取與上一級星間通信衛(wèi)星可見頻率次低的衛(wèi)星作為下一級星間通信衛(wèi)星。

作為所述適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法的進一步優(yōu)化方案，步驟D中所述的星間測量信息包括距離測量值和鐘差測量值。

作為所述適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法的進一步優(yōu)化方案，步驟E采用自適應(yīng)擴展卡爾曼濾波算法融合處理整個星座的所有星間測量信息以及單星導(dǎo)航信息。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：

(1)利用基于磁強計的磁導(dǎo)航技術(shù)對衛(wèi)星進行導(dǎo)航，采用自適應(yīng)擴展卡爾曼濾波方式，提高了衛(wèi)星的導(dǎo)航精度；

(2)利用運籌學(xué)中動態(tài)規(guī)劃理論對星座中的衛(wèi)星進行星間測量時刻的選取以及測量信息衛(wèi)星的選取，有一勞永逸的效果，在每顆衛(wèi)星完成自身自主導(dǎo)航的同時，間斷性地進行星間數(shù)據(jù)測量及信息交換，克服了自組織星座衛(wèi)星軌道不規(guī)則的障礙；

(3)本發(fā)明在實現(xiàn)自組織星座導(dǎo)航的同時，提高了導(dǎo)航精度、減少了整體導(dǎo)航計算量，為自組織星座運行性能提供了很好的保障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖。

圖2為單星導(dǎo)航的導(dǎo)航方式。

圖3為星間測距的衛(wèi)星順序選取方法。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

由于自組織星座構(gòu)型存在不穩(wěn)定性，針對傳統(tǒng)規(guī)則星座的星間測距和數(shù)據(jù)通信等方法無法在自組織星座中衛(wèi)星運行的過程中不間斷實施。為了解決上述問題，本發(fā)明提出“單星自主導(dǎo)航+間斷性星間測量信息融合技術(shù)”的方案對自組織星座進行自主導(dǎo)航。采用基于磁強計的磁導(dǎo)航方法對單星進行自主定軌；通過動態(tài)規(guī)劃的方式選擇星間測量數(shù)據(jù)的衛(wèi)星以及間斷性測量信息的時刻；采用擴展卡爾曼濾波算法融合導(dǎo)航信息和星間測量信息，實現(xiàn)自組織星座的長期自主導(dǎo)航。

本文提出的一種適用于自組織星座的星座導(dǎo)航方法，如圖1所示，步驟如下：

(1)觀測衛(wèi)星的運行軌道，根據(jù)衛(wèi)星的軌道周期以及運行軌道對星座中的衛(wèi)星進行標記，標記自組織星座中的衛(wèi)星分別為：

A₁,A₂,…A_n；B₁,B₂,…；C₁…，

其中，衛(wèi)星x₁,x₂,…x_n有著相同或者極為相似的運行軌道，x為A,B,C…，

對自組織星座中衛(wèi)星的周期大小進行計算，將所有衛(wèi)星周期的最小公倍周期作為自組織星座的星座周期，記為T。

(2)對星座中的每顆衛(wèi)星采用基于磁強計的磁導(dǎo)航方法進行單星導(dǎo)航，濾波方式為自適應(yīng)擴展卡爾曼濾波(自適應(yīng)EKF算法)，整個單星導(dǎo)航的流程如圖2所示，

衛(wèi)星的軌道運動方程為：

式中：L_ei為狀態(tài)向量，L_ei＝[x,y,z,v_x,v_y,v_z]^T，x,y,z,v_x,v_y,v_z分別為衛(wèi)星在x、y、z三個方向的位置和速度，μ為地球引力常數(shù)，μ＝3.986×10¹⁴m³/s²；J₂為地球引力二階帶諧項系數(shù)，J₂＝1.08263×10^-3，r為地心距，R_e是地球參考赤道半徑，w為等效的隨機白噪聲，

磁強計定軌的量測方程為：

式中：V為地磁場勢函數(shù)，r為地心距，φ為地理經(jīng)度，θ為地心余緯，為地心緯度，Z_B為地磁強度矢量模，B_x、B_y、B_z為x、y、z三個方向的磁場強度矢量，v_B為地磁參考場模型誤差和磁強計測量誤差、星體內(nèi)剩磁干擾等引起的量測噪聲。

自適應(yīng)濾波算法中，實時估計方差由下式計算：

式中，k表示測量時刻，d_k是k時刻濾波器實際觀測值Z_k和k-1時刻對k時刻預(yù)測的觀測值之差，i＝k-W+1，d_i是i時刻濾波器實際觀測值和i-1時刻對i時刻預(yù)測的觀測值之差，分別為滑動數(shù)據(jù)窗口長度為k-1、k時的估計方差，k通過滑動數(shù)據(jù)窗口W長度度量，實驗中根據(jù)系統(tǒng)靈敏性和準確性在實際動態(tài)范圍內(nèi)對W進行選擇。此外，自適應(yīng)算法中，k時刻的殘差方差的估計值為：R_k為k時刻的觀測噪聲方差陣，k+1時刻的觀測噪聲方差陣R_k+1的估計值為：k時刻的系統(tǒng)噪聲方差陣Q_k的估計值為：其中，P_k+1|k為最優(yōu)預(yù)測估值誤差協(xié)方差陣，P_k|k為最優(yōu)濾波誤差協(xié)方差陣，Φ_k+1|k為狀態(tài)矢量X(即為衛(wèi)星的軌道運動方程中的狀態(tài)向量L_ei)從k時刻轉(zhuǎn)移到k+1時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，R_k+1為k+1時刻的觀測噪聲方差陣，Q_k為k時刻的系統(tǒng)噪聲方差陣，H_k+1為k+1時刻觀測矢量Z_k+1與狀態(tài)矢量X_k+1間的觀測系數(shù)矩陣。

(3)對每一顆衛(wèi)星以及其可見的衛(wèi)星進行星間通訊衛(wèi)星的選取以及星間通訊的時刻的選取方式借助運籌學(xué)的動態(tài)規(guī)劃思想，具體步驟為：

1)依據(jù)每顆衛(wèi)星及其與可見星距離最近的時刻對整個星座周期進行節(jié)點劃分，并進行節(jié)點時刻標注；

2)選擇在運行過程中可見星最少數(shù)目的衛(wèi)星為第一個衛(wèi)星，按照衛(wèi)星的可見星數(shù)目的多少對衛(wèi)星進行排列；

3)從第一顆衛(wèi)星起，選取與之可見頻率最低的衛(wèi)星為第二顆衛(wèi)星，同一周期的第一距離最短時刻為信息測量交換時刻，以此類推，后一級選取的衛(wèi)星不可與前幾級選取的衛(wèi)星重復(fù)；

4)若后面級別選取的衛(wèi)星與前面級別選取的衛(wèi)星相矛盾，則從矛盾處的上一級別開始進行調(diào)整，對矛盾處的上一級別選取其可見頻率次低級的衛(wèi)星，并重復(fù)步驟3)，直至所選的最后一級的衛(wèi)星與第一顆衛(wèi)星可以進行星間測距與數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成一個環(huán)路；

5)每個星座周期T中，有且只有一次通訊環(huán)路，如有矛盾，重復(fù)步驟4)進行調(diào)整；

選取流程如圖3所示，假設(shè)第一顆選取的衛(wèi)星為A，其運行過程中的可見星為B、C，且一個星座周期內(nèi)A星與B星的可見頻率低于與C星的可見頻率，則選擇B星與A星進行信息測量，以此類推。

(4)自組織星座中，衛(wèi)星之間的相對位置關(guān)系一般是隨著時間變化的，在星座周期內(nèi)分配時間節(jié)點來進行星間信息測量與通信，即在衛(wèi)星運行到每個星座周期的特定時刻對其選取的可見衛(wèi)星進行間斷性的星間測量信息以及信息的傳輸。分配給每顆衛(wèi)星1.5s的時間間隔用于星間測距或通信，將衛(wèi)星與其選定的測距衛(wèi)星直線距離最短的前0.5s作為衛(wèi)星測距通信的起始時間?；谧越M織星座衛(wèi)星軌道不規(guī)則，每兩顆衛(wèi)星通信時采用側(cè)向鏈路通信。衛(wèi)星之間進行的星間測量信息包括距離測量值以及鐘差測量值，信息的傳輸包括距離信息，鐘差信息以及單星導(dǎo)航的軌道信息，同時利用星間雙向測距實現(xiàn)距離和鐘差參數(shù)的解耦，以此對星座中的導(dǎo)航衛(wèi)星實現(xiàn)時間同步。

(5)處理測量數(shù)據(jù)，對整個星座進行單星自組導(dǎo)航信息和間斷性的星間測量信息融合，處理融合信息，完成星座導(dǎo)航。每顆衛(wèi)星僅處理與自己相關(guān)的測量數(shù)據(jù)，更新自己的軌道、鐘差以及導(dǎo)航參數(shù)。星間測量信息融合方式為基于信息融合的自適應(yīng)EKF算法，設(shè)計全局估計和子濾波器估計進行信息分配，

全局最優(yōu)估計：

經(jīng)過分散化并行運算的濾波處理，得到的n個局部估計值χ₁(t),χ₂(t)…χ_n(t)和估計誤差分別為P₁(t),P₂(t)…P_n(t)，在主濾波器中按下式進行融合，得到全局估計值：

將全局估計結(jié)果反饋給子濾波器，作為k時刻子濾波器估計值：

式中，i＝1,2,…,n，β₁+β₂+…β_n＝1，0≤β_i≤1，Q_g為系統(tǒng)的狀態(tài)噪聲的方差陣，k時刻第i個子濾波器的因子β_i(k)為：

式中，||·||_F為Frobenius范數(shù)，即對任意矩陣A有：

信息融合觀測更新：

根據(jù)新的觀測信息對子濾波器進行EKF算法，具體算法步驟如下：

K(k)＝P(k,k-1)H^T(k)×[H(k)P(k,k-1)H^T(k)+R(k)]^-1，

P(k)＝[I-K(k)H(k)]P(k,k-1)[I-K(k)H(k)]^T+K(k)R(k)K^T(k)，

其中，P_g(k)為k時刻的全局估計值、全局估計誤差，P₁(k),P₂(k)…P_n(k)為k時刻第1至第n子濾波器的估計誤差，χ₁(k),χ₂(k)…χ_n(k)為k時刻第1至第n個子濾波器的局部估計值，為第i個子濾波器的局部估計值，P_i(k)、Q_i(k)分別為k時刻第i個子濾波器的估計誤差、對系統(tǒng)狀態(tài)噪聲方差陣的估計值，P_g(k)、Q_g(k)分別為k時刻的全局估計誤差、系統(tǒng)狀態(tài)噪聲的方差陣，β_i為當前時刻第i個子濾波器的因子，P_i(k-1)為k-1時刻第i個子濾波器的估計誤差，分別為k-1時刻、k時刻的狀態(tài)矢量估計值，為k-1時刻估計的k時刻狀態(tài)矢量，f(·，·)為狀態(tài)矢量估計函數(shù)，t為連續(xù)時間，T為自組織星座的星座周期，K(k)為濾波器觀測時刻的計算式，z(k)為k時刻濾波器的觀測值，h(·，·)為計算預(yù)測觀測值的表達式，P(k,k-1)為最優(yōu)預(yù)測估值誤差協(xié)方差陣，H(k)為k時刻觀測矢量Z_k與狀態(tài)矢量X_k間的觀測系數(shù)矩陣，R(k)為k時刻的觀測噪聲方差陣，P(k)為k時刻估計誤差。

綜上所述，本發(fā)明利用基于磁強計的磁導(dǎo)航技術(shù)對衛(wèi)星進行導(dǎo)航，提高了衛(wèi)星的導(dǎo)航精度，利用運籌學(xué)中動態(tài)規(guī)劃理論對星座中的衛(wèi)星進行星間測量時刻的選取以及測量信息衛(wèi)星的選取，有一勞永逸的效果，在每顆衛(wèi)星完成自身自主導(dǎo)航的同時，間斷性地進行星間數(shù)據(jù)測量及信息交換，克服了自組織星座衛(wèi)星軌道不規(guī)則的障礙，實現(xiàn)了自組織星座導(dǎo)航，并提高了導(dǎo)航精度、減少了整體導(dǎo)航計算量，為自組織星座運行性能提供了很好的保障。