基于星间无线电测距的卫星自主定轨与导航

基于星间无线电测距的卫星自主定轨与导航 基于星间无线电测距的卫星自主定轨与导 航 第23卷第1期 2002年1月 宇航学报 Journa1ofAstronauties Vo1.23No.1 Jan.2002 基于星间无线电测距的卫星自主定轨与导航 王世练,路军.张尔扬 (国防科拄太学电子科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,长沙41?72) 摘要:提出了在空间数据链中基于星载无线电测距实现低轨卫星的自主定轨方法通过星上 天线发送和接 收网内其他卫星的通信数据,从中获取相互间的距离信息,应用推广Kalman算法确定卫星 的位置和速度实现卫 星间的互相定位以铱系统为背景,针对所提出的两种不同组网方式进行了具体的仿真,并与 GPS定轨相比较. 得出了几点结论. 关键词:空间数据链;ISI;自主定轨{扩展kalman滤波 中匿分类号:P135文献标识码:A文章编号:1gO0132g(2002)oX一0069一O4 Satelliteautonomousorbitdeterminationandnavigationbased onwirelessdistancemeasurementon—board WANGShilian,LUjun,ZHANGEr—yang (SchoolofElectronicScienceandEngineering.NatiooalUniversityofDefenceTechnologyChangeha 410073) Abstract:TheautonomousorbitdeterminationapproachforLEOsatelliteusingon—boardwirelessdist ance measurementinthespatialdatachainsispresented.Themutualdistancescanbeobtainedthroughtheeph emeris datareceivedfromsatellitetransponder,usingextendedkalmanfilteringalgorithmtodeterminethesatel liteposi— tionandvelocityvectors,thesatellitesorbitdeterminationinspatia1networkcanbeaehieved.Based0nth eIRIDI— UMsystem,theresultsofestimatedorbiterroraresimulatedundertwodeferentspatiaIframeworkmode s,com— paredwiththeGPSorbitdetermination.Afewconclusionsareprovidedintheend. Keywords{Spatialdatachains;Intersatellitelink;Autonomousorbitdetermination;EKF 0引言 随着航天任务的不断增加,依靠陆基测控网进 行卫星的定轨与跟踪将难以承受其高负荷的数据传 输与处理,同时地面站的布局具有局限性,其生存在 战时电子战环境下亦具有一定的威胁性.发展卫星 的自主定轨技术,使得卫星在失去地面联系的情况 下仍能继续保持位置,已显得越来越重要. 最近几年,国内外先后提出了基于星载磁测计, 基于GPS导航星和地面PRARE(PreciseRange AndRange—RateEquipment)的低轨卫星自主定轨 技术..,前者的定轨精度在千米的量级,后者的定 轨精度受SA政策的限制.本文从星座,星队等卫星 收穑日期;20010121,修回la期:2001—10-08. 互连技术发展的角度,提出在建立空问数据链的基 础上利用星载无线电测距实现卫星的自主定轨与导 航,随着微型电路,纳米技术,高速数传及激光通信 技术的发展,实现这样的天基网络将是可行的. 1空间组网与测距 1.1空问卫星组网 与地面导航系统不同,在空问通信链路中实现 卫星的自主定位与跟踪其参考星的选择不仅要考虑 GDOP(GeometricDilutionofPrecision)的大小,还 必须考虑其相互间的距离大小与变化范围,星问距 离的变化情况直接决定了空中通信系统的功率大小 及其变化动态范围.综合考虑GDOP和距离,提出 70宇航学报第23卷 了基于LEO参考星和基于TDRSS/IEO星两种不 同的组网定轨方式,如图1所示. (b)LEO/GEO参考垦 图1基于不同参考星位置的组网定轨模式 选择Iridium系统作为LEO卫星,经计算得出 LEO卫星问及其与TDRSS星之问的距离,有关参 数及结果见表1和图2,其中同一轨道面的Iridium 星之间的距离为4047Km固定不变,同时还给出了 Iridium星与GPS星之问的距离计算结果. 表1参考星参数及其与目标星之间的距离 高度轨道面倾角最大距离最小距离参考星名称 (kin)()(km)/km) 相部Iridium星f778864398X100845×10 TDRSS星4932×1035019×10 GPs星g023055.0337×1O1.94×lO’ 1.2星问测距 在空间卫星网中实现几何定轨可采用T0A (Timeo{Arriva1)或AOA(AngleofArriva1)方式, 但在高动态的运动环境下,角度测量设备必将十分 庞大,不适于低轨卫星特别是小卫星的应用.对于 TOA方式,其关键是星问距离的精确测量,空间测 距通常采用侧音测距和伪码测距,前者的精度较高, 但获得4×10’的最大无模糊距离比较困难,同时考 虑伪码测距可在扩频通信链路中实现,我们更倾向 于选择基于扩频信息帧的伪码测距法.在低轨卫星 星座或编队飞行网络中,主星具有较强的星载处理 能力,各子星装有信号转发器,TDRSS星发射载有 时问的测控信息,主星接收并处理来自子星或 TDRSS星的距离信息. (a)与相部轨道面卫星 /b)与TDRSS卫星 图2Iridium星与其他参考星之间的距离变化曲线 2数学模型及定轨算法 描述卫星在空间的位置,可采用地心椭圆坐标 系下6个轨道根数R--ei口oJM3或瞬 时平赤道地心系下的矢量x—Y主’, 两者可相互转换0.若选择R为状态矢量,可简化 系统方程,但观测量至少为三个距离,经坐标转换将 对观测方程引入很大的非线性综合分析,我们选择 x为状态矢量. 不考虑任何摄动,系统的状态方程为 It dX一 {tx\jftf3ffIf 瞳?一”一”Y”(1 其中为Keplerian常数,r=sqrt(.r+.+.). 第1期王世练等:基于星间无线电测距的卫星自主定轨与导航71 不考虑卫星钟偏,选择三颗参考卫星,则系统的 测量方程为 fZ—R(X)+V l=[rI(x)(x)(x)]+”03 一一 l(x)一~,(z32”1)+(Y)+(22), I【 一1,2.3 (2) 其中(2F_Y)为待确定的卫星空问位置, (Y.)为参考星的位置.为测量噪声,假 设服从高斯分布,均值为零,协方差矩V=diag (.d,),d表征测距精度. (1)和(2)均是状态x的非线性方程,采用扩展 卡尔曼滤波算法.对(1)离散化,并在x处展开为 Tayor级数,得系统的转移矩阵 …?I+F(X?)At+((X)+ F(x))At/Z(3) 其中F(x一)一l,为采样闻隔.则状态预测 方程为 x “一X?+f(xl”,)At +(F(xM)?f(X,)/2+(of~or)) (4) 将(2)在x—n处展开为Tayor级数,得观测矩阵 一 双? 0003 则滤波方程为 X+l—X+?q-K—1(Z+lR(Xl一?))(6) (a)LEO参考模式 K}L=P}L”H】[H蚪LP—1HLl+一】].. (7) 3仿真结果分析 在仿真试验中,以低轨Iridium系统为背景, “真实”星历数据通过4阶Runge— -1O秒,图3(a)和图3(b)分别给出了上述两种参 考星组网模式下的SEP变化曲线.图3(c)为GPS 参考模式下的定轨结果,其中GPS星的URE(User RangeError)取6m,不考虑SA影响和卫星钟偏, 最佳位置星的选择以GDOP最小为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,粗码测距 误差为15m. 参考星选择Iridium系统中同一轨道面的前后 星及相邻轨道面内的星(见图1(a)),由于相邻轨道 面在地球两极附近存在”交叉”,此时的GDOP将变 大,相应的跟踪误差在一轨道周内即出现两次峰值 (见图3(a));选TDRSS星为第三颗参考星(见图1 (b)),定轨误差得到了有效的控制,稳定后的精度 比基于GPS的定轨精度相差2m左右. (b)LEO/TDRSS混台参考模式【c)GPS参考模式 图3不同组网模式下的跟踪误差SEP 宇航学报第23卷 4结论 建立星间通信网.并在此基础上实现基于星载 无线电测距的卫星自主定轨与导航,是对今后低轨 小卫星发展的大胆尝试.为完全摆脱美国GPS系 统一本文提出LEO内组网和IEO/TDRSS组网两 种不同定轨模式,讨论了相应的数学模型及EKF定 轨算法,以Iridium系统为背景,分别计算并给出上 述两种模式和GPS模式下的实时定轨误差.从最后 的仿真结果,我们不难得到以下结论:(1)LEO内定 轨模式下,参考星与目标星的空间几何位置不稳定, 直接影响了定轨精度,若网内卫星数目足够多,可实 时选择GDOP小的卫星;(2)LEO/TDRss不同高 度轨道的组网模式下,三颗参考星的相对位置稳定, 定轨精度得到了保证,与基于GPS的低轨卫星定轨 精度相当. 尚需在以下几方面展开进一步的研究:降低定 轨算法的运算量与存储量,如采用序贯UD协方差 分解算法,距离信息的序贯处理法等;以GDOP的 大小为准则,结合小卫星编队飞行和星座技术,研究 LEO内最优组网算法;综合测距与通信效率,研究 星间通信体制与网络管理. 参考文献: 曩作者茼介:王世练(1976),男,博士研究咋.专业:通信与信息处理;研究方向:低轨小『】星的 空间组网与自主定轨,星间通信与谢距 <{-T-航学报》第四届编辑委员会 主任委员(主编):庄逢甘 副主任委员(副主编):马兴瑞屠善澄张履谦余梦伦常显奇张保乾黄培康陈念生 常务编委(按姓氏拼音排序):杜善义关世义李相荣吴宏鑫叶定友张丽辉张贵田张育林 编委(按姓氏拼音排序):安复兴蔡国飙常伯浚常显奇陈熙陈念生陈汝训陈善广 丁明跃杜善义范士明方丁酉葛志强关世义郭吉丰洪嘉振 黄培康黎义李素循李俊峰李相荣林华宝林来兴剂健 陆仲良马兴瑞潘增富彭允祥邱吉宝阮颖铮苏康孙连举 孙毅俊谈和平屠善澄王凤翔王怀义王庆超王世锦王永平 王占林王照林王正志王正中王志剐吴德隆吴奉生吴宏鑫 肖业伦徐云锦徐福荣薛敦伟杨光松叶定友于翘余金宝 余梦伦袁建平张保乾张贵田张洪华张丽辉张履谦张清泰 张育林周军周伟江周孝宽周荫清朱宁昌庄逢甘 一一 一一