基于gnss反射信号的双站雷达空间目标相对导航方法
【专利摘要】基于GNSS反射信号的双站雷达空间目标相对导航方法，提出利用GNSS卫星作为照射源，探测在主动航天器的GNSS反射信号作空间目标的相对测量实现途径，利用运动方程和状态估计方法，确定航天器之间的相对位置和速度，得到目标航天器和主动航天器在不同距离时的运动方程模型。利用安装在主动航天器上的探测器接收直达和反射信号测量航天器之间的相对距离，建立基于GNSS反射信号双站雷达空间目标相对导航运动模型；采用卡尔曼滤波方法构造绝对状态估计器和相对状态估计器，从而获取航天器间的相对位置和相对速度信息。本发明方法不仅不需要单独的交会敏感器，并且主动航天器和目标航天器相对距离远近不同时，都能获得完备的观测信息。
【专利说明】基于GNSS反射信号的双站雷达空间目标相对导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信领域，涉及一种空间目标的相对导航方法。
【背景技术】
[0002] 空间目标相对测量，是指追踪飞行器基于其星载相对导航设备的测量，在一定条 件下实时估计目标飞行器的相对状态，包括相对位置、相对速度或其它表征相对运动的信 息。相对测量是飞行器轨道交会、伴飞与逼近过程制导和控制的输入，相对测量的性能将直 接影响最终的制导和控制精度。目前空间目标常用的测量手段包括：微波交会对接雷达、激 光雷达、卫星导航测量和CCD光学成像测量，这些测量手段在空间交会对接过程中得到了 广泛应用，但上述传统的相对测量手段大多针对合作目标，即追踪飞行器与目标之间有信 息交换。
[0003] 随着人类探索、开发和利用外层空间的深入，对空间目标相对导航技术提出了更 高的要求。诸如卫星由于故障、完全失效或任务结束而被放弃后，停留在空间将成为太空垃 圾，不但占用了宝贵的轨道资源，还可能危及其它航天器的安全。为了尽可能挽回损失或净 化轨道环境，各国正在研宄以卫星维修、生命延长及太空垃圾清除为目的的在轨服务技术， 即对故障卫星进行绕飞监测、跟踪接近、交会对接、在轨维修等操作。要实现这些目的，必须 解决航天器间相对位姿的测量问题，与传统目标高精度相对导航问题不同，对于大多数已 在轨服务的航天器和空间碎片等目标，其本身没有配备目标标识器和交会对接敏感器，并 没有预先安装相对测量装置，空间目标之间没有直接的信息交流，这就使得空间目标相对 导航问题能够得到的观测信息通常是不完备和不精确的，因而对相对导航信息的高精度确 定造成困难。
[0004] 针对空间目标的相对导航时空间交会中的难点问题，已经引起了相关研宄部门的 广泛关注，目前已经提出了一些相对导航位姿的测量方法，其中以基于立体视觉的航天器 相对导航技术最为典型，其在应用时，需要在主动航天器上安装交会敏感器。安装在主动航 天器上的交会敏感器在航天器相距较远时，很难获得完备的观测信息，导致自主导航算法 不能满足相对导航需求，而只能依靠地面引导主动航天器进行交会对接，从而增加了地面 测控的负担。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于GNSS反射信号 的双站雷达空间目标相对导航方法，该方法利用GNSS反射信号测量原理，建立了目标航天 器和主动航天器的运动模型，在此基础上，提出了基于GNSS反射信号双站雷达空间目标相 对导航模型，不仅不需要单独的交会敏感器，并且主动航天器和目标航天器相对距离远近 不同时，都能获得完备的观测信息，自主导航算法能够满足相对导航需求，减轻了地面测控 的负担，还可以实现全天候、全天时工作。
[0006] 本发明的技术解决方案是：基于GNSS反射信号的双站雷达空间目标相对导航方 法，包括如下步骤：
[0007] (1)在主动航天器上安装GNSS卫星导航接收机，利用卫星导航接收机同时接收 GNSS卫星的直达信号，以及目标航天器反射的GNSS卫星的回波信号；
[0008] (2)主动航天器获取自身的位置和速度，作为惯性坐标系下主动航天器的绝对运 动状态变量，同时估计目标航天器的位置和速度，作为惯性坐标系下目标航天器的绝对运 动状态变量；将主动航天器的绝对运动状态变量和目标航天器的绝对运动状态变量进行差 分，得到惯性坐标系下主动航天器和目标航天器之间的相对位置和相对速度，作为惯性坐 标系下的相对运动状态变量；
[0009] (3)判断主动航天器和目标航天器之间的距离，当主动航天器和目标航天器之间 距离超过d时，转步骤（4);当主动航天器和目标航天器之间的距离不超过d时，转步骤 (6);所述d的大小取决于主动航天器的轨道高度s，满足d彡0. Ols ;
[0010] (4)将步骤（2)中获取的惯性坐标系下的全部绝对运动状态变量，以及主动航天 器与GNSS卫星之间的钟差b作为绝对状态向量X，采用迭代的方式，根据k-Ι时刻绝对状态 向量的估计值4η，迭代更新k时刻绝对状态向量的估计值.A ,具体为：
[0011] (4-1)计算得到k-Ι时刻绝对状态向量中各绝对状态变量的导数值，其中：
【权利要求】
1.基于GNSS反射信号的双站雷达空间目标相对导航方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 在主动航天器上安装GNSS卫星导航接收机，利用卫星导航接收机同时接收GNSS卫 星的直达信号，以及目标航天器反射的GNSS卫星的回波信号； (2) 主动航天器获取自身的位置和速度，作为惯性坐标系下主动航天器的绝对运动状 态变量，同时估计目标航天器的位置和速度，作为惯性坐标系下目标航天器的绝对运动状 态变量；将主动航天器的绝对运动状态变量和目标航天器的绝对运动状态变量进行差分， 得到惯性坐标系下主动航天器和目标航天器之间的相对位置和相对速度，作为惯性坐标系 下的相对运动状态变量； (3) 判断主动航天器和目标航天器之间的距离，当主动航天器和目标航天器之间距离 超过d时，转步骤（4);当主动航天器和目标航天器之间的距离不超过d时，转步骤（6);所 述d的大小取决于主动航天器的轨道高度s，满足d< 0.Ols; (4) 将步骤（2)中获取的惯性坐标系下的全部绝对运动状态变量，以及主动航天器与 GNSS卫星之间的钟差b作为绝对状态向量X，采用迭代的方式，根据k-Ι时刻绝对状态向量 的估计值，迭代更新k时刻绝对状态向量的估计值毛，具体为： (4-1)计算得到k-Ι时刻绝对状态向量中各绝对状态变量的导数值，其中：
r。和V。分别为惯性坐标系下主动航天器的绝对位置和绝对速度，rVτ分别为惯性 坐标系下目标航天器的绝对位置和绝对速度，u。和u 别为惯性坐标系下主动航天器和目 标航天器所受外部合力，μ为地心引力常数； (4-2)对步骤（4-1)计算得到的导数值，从k-Ι时刻到k时刻的时间区间进行积分，得 到各绝对状态变量的变化量，在此基础上叠加k-Ι时刻相应绝对状态变量的估计值，作为k 时刻绝对状态向量的预测值毛^ ; (4-3)利用k时刻绝对状态向量的预测值，预测得到k时刻所述直达信号和回波 信号的预测值向量Mη)，(為),J，其中直达信号 的预测值为：
回波信号的预测值为：
&和V8分别表示GNSS卫星在惯性坐标系下的绝对位置和绝对速度； (4-4)将步骤（4-3)获取的直达信号和回波信号作为预测值，将步骤⑴中获取的直 达信号和回波信号作为测量值，采用卡尔曼滤波的方法，计算得到绝对状态向量的修正值 枚； (4-5)通过公式毛+0? ,计算得到k时刻绝对状态向量的估计值% ; (5) 从步骤（4)得到的绝对状态向量估计值4中提取出对应的分量，分别得到惯性坐 标系下主动航天器和目标航天器各自的绝对位置和绝对速度，再通过直接差分，得到惯性 坐标系下主动航天器和目标航天器之间的相对位置和相对速度，作为相对导航的结果，并 结束； (6) 将步骤（2)获取的惯性坐标系下的相对运动状态变量转换至轨道坐标系，将轨道 坐标系下的全部相对运动状态变量作为相对状态向量X，采用迭代的方式，采用迭代的方 式，根据k-Ι时刻相对状态向量的估计值名,迭代更新k时刻相对状态向量的估计值尤， 具体为： (6-1)计算得到k-Ι时刻相对状态向量中各相对状态变量的导数值，其中：
AJP△v分别为轨道坐标系下主动航天器相对于目标航天器的相对位置和相对速度， ^为轨道坐标系下主动航天器相对于目标航天器的相对外部合力，
ω为主动航天器的平均轨道角速度； (6-2)对步骤（6-1)计算得到的导数值，从k-Ι时刻到k时刻的时间区间进行积分，得 到各相对状态变量的变化量，在此基础上叠加k-Ι时刻相应相对状态变量的估计值，作为k 时刻相对状态向量的预测值名m; (6-3)利用k时刻相对状态向量的预测值尤η，预测得到k时刻所述直达信号和回波 信号差值的预测值向量
其中
Xg和Vg分别为GNSS卫星在轨道坐标系下的位置和速度； (6-4)将步骤（6-3)获取的直达信号和回波信号的差值作为预测值，将步骤（1)中获取 的直达信号和回波信号做差后的差值作为测量值，采用卡尔曼滤波的方法，计算得到相对 状态向量的修正值尤; (6-5)通过公式之=,+5尤计算得到k时刻相对状态向量的估计值尤。 (7)从步骤（6)得到的相对状态向量估计值之中提取出对应的分量，得到轨道坐标系 下主动航天器和目标航天器的相对位置和相对速度，作为相对导航的结果并结束。
2. 根据权利要求1所述的基于GNSS反射信号的双站雷达空间目标相对导航方法，其特 征在于：所述步骤（1)中利用卫星导航接收机的左旋天线接收GNSS卫星的直达信号，利用 卫星导航接收机的右旋天线接收目标航天器反射的GNSS卫星的回波信号。
3. 根据权利要求1或2所述的基于GNSS反射信号的双站雷达空间目标相对导航方法， 其特征在于：所述的d的取值范围为1?100千米。
【文档编号】G01S19/52GK104459751SQ201410682587
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】张建军, 王晓初, 薛明 申请人:中国空间技术研究院