基于星间定向观测的导航星座长期自主定轨技术研究

【摘要】： 实现导航星座自主导航对提高其生存能力和扩展其应用领域具有重要意义,而自主定轨又是实现自主导航的核心技术之一。目前,导航星座自主定轨多采用星间距离观测来实现,但这种方法只能保证导航卫星间相对位置的准确性,无法克服星座相对于惯性参考系的整体旋转和漂移,定轨精度会随时间增长而下降。 为解决这一问题,有学者提出引入星间定向观测,即采用星敏感器对星座中的其它卫星及背景恒星进行照相观测,利用恒星提供的空间绝对位置信息来测定和消除星座的整体旋转和漂移对自主定轨的影响。本文在此基础上,对如何利用星间定向观测信息实现导航星座长期高精度自主定轨做了进一步的研究。 在建立起星间定向观测模型的基础上,通过对精密定轨的条件方程中系数矩阵的分析,证明了仅利用星间定向观测的卫星自主定轨不存在数学亏秩问题,因而可以定轨。进一步的研究试验发现,仅利用星间定向观测能保证自主定轨的长期稳定性,但受星敏感器观测精度的限制,定轨精度并不高。而仅利用星间距离观测短期自主定轨精度很高,但长期会出现发散。因此,本文设计的导航星座自主定轨算法方案综合利用了星间距离观测和星间定向观测,从而达到使两种观测手段取长补短的效果。 考虑到导航卫星多是小偏心率近圆轨道的特点,为了节约星载计算机的资源,满足自主定轨的实时性,本文设计的算法方案在利用EKF滤波器融合卫星动力学信息及星间测距和测向信息进行自主定轨时,选用了第一类无奇点根数作为状态变量,这与选用位置和速度矢量相比,可以加大轨道积分步长,同时可采用分析法来计算状态转移矩阵,从而减少了星载计算机的解算量。 本文完成了对所提自主定轨算法方案的软件实现,并提出了基于星间定向观测的半物理仿真系统的设计方案。通过自主开发的软件仿真系统,利用GPS星座的IGS精密星历进行仿真试验。结果表明,本文设计的算法方案可使导航星座自主定轨同时满足高精度和长期稳定两项性能指标,而且即使方案中的星间定向观测仅剩一组仍可使自主定轨结果基本满足要求。