一种基于星载GNSS多天线的卫星自主定轨方法

摘要

一种基于星载GNSS多天线的卫星自主定轨方法，本方法设计了扩展卡尔曼滤波器，充分利用多个GNSS天线的实测伪距观测值对用高精度力学模型的轨道预报值进行实时滤波校正，得到高精度的卫星轨道信息。本发明能够解决复杂姿态机动情况下的高精度轨道确定问题。本发明实现的定轨结果精度高、稳定性好，实时性强，可满足低轨卫星高精度卫星轨道确定需求，可广泛应用于空间站、高分辨率对地观测卫星等航天任务的高精度定轨，具有广阔的推广应用前景。

主权项

一种基于星载GNSS多天线的卫星自主定轨方法，其特征在于步骤如下：（1）自主定轨开始，系统初始化；（2）获取星载GNSS多天线观测数据和广播星历，利用获取的观测数据进行单点定位测速解算得到卫星位置、速度结果和接收机钟差，进而利用观测数据中的历元时间减去接收机钟差得到滤波器时间；（3）判断自主定轨标记是否为启动，若卫星自主定轨标记为启动，则进入步骤（4）；若没有启动则卫星为初次定轨将步骤（2）得到的卫星位置、速度结果由相应的天线相位中心转到卫星质心并初始化卡尔曼滤波状态量，将卡尔曼滤波状态量定义为数据1，并初始化卡尔曼滤波状态误差协方差阵，将方差阵定义为数据2，并置自主定轨标记启动进入步骤启动（4）；（4）建立基于高精度轨道动力学模型的卫星运动状态方程，利用四阶龙格‑库塔积分器对卫星运动状态方程进行积分，得到滤波器时间的卫星位置速度预报值和状态转移矩阵，分别定义为数据3和数据4；若为初次自主定轨，则卫星运动状态方程的积分初值使用步骤（2）中的卫星位置及速度结果；否则使用数据10；（5）进行卡尔曼滤波的时间更新，计算系统动态噪声协方差阵，将其定义为数据5，利用卡尔曼滤波状态误差协方差阵和步骤（3）中得到的状态转移矩阵计算得到预测状态误差协方差阵，将其定义为数据6；若为初次自主定轨，则卡尔曼滤波状态误差协方差阵使用步骤（3）中的数据2，否则使用数据11；（6）若步骤（2）中得到的GNSS多天线观测数据为第i个GNSS天线的观测数据，则将数据3从卫星质心处转换到第i个GNSS天线相位中心处，得到数据7；（7）进行卡尔曼滤波的测量更新，更新步骤如下：（a）首先计算滤波最优增益阵，建立以步骤（2）中的观测数据为观测量的观测方程，得到观测矩阵，将其定义为数据8，然后采用UD分解滤波原理，利用观测噪声协方差阵、数据8和步骤（5）中得到的数据5和数据6计算滤波最优增益阵，将其定义为数据9；（b）其次更新卡尔曼滤波状态量；利用步骤（a）中的数据9、步骤（6）中的数据7和步骤（2）中的观测数据更新卡尔曼滤波状态量，将其定义为数据10；（c）最后更新状态协方差矩阵；利用步骤（a）中的观测噪声协方差阵和数据8以及步骤（5）中的数据6更新状态协方差矩阵，将其定义为数据11；（8）卡尔曼滤波的测量更新过程结束后，将步骤（7）得到的数据10，由第i个天线相位中心处转换到卫星质心处，得到数据12，重复步骤（2）～(8)即可实现星载实时自主定轨。