融合激光微波星间观测的导航星座自主定轨方法研究

发布时间：2020-09-12 19:13

　　随着星间链路技术的发展,高精度、高通信速率的激光星间测通系统将成为微波系统的理想替代者,由于发展的必然性和发展过程中存在的阶梯性,微波和激光链路共存的情况不可避免。本文对微波星间链路和融合激光微波星间链路以及基于两种链路模式下导航星座自主定轨的方法进行研究和分析。主要内容如下:(1)星间链路的研究和设计。首先研究了在微波和激光两种测量方式的测距原理及主要误差来源,讨论星间可见性。其次,根据微波和激光两种测量手段各自的优劣势,本文提出一种同轨静态链路采用定向的激光建链,异轨动态链路用微波建链的星间建链方式,以此获得融合激光微波星间观测模型。然后仿真分析了Walker24/6/1星座和Walker24/3/2星座基于微波星间组网和融合激光微波组网的拓扑结构和定轨精度因子PDOP值。结果表明,融合激光微波星间链路在星座结构和整体观测误差精度方面都优于微波星间链路。(2)研究了卫星定轨的基本流程。将定轨流程分为两部分,第一部分:根据卫星动力学模型构建微分方程,求解方程获得卫星概略状态;第二部分:根据不同观测信息构建定轨观测方程,通过最小二乘法和卡尔曼滤波法修正概略状态。(3)研究导航星座序贯集中式和序贯分布式自主定轨方法。本文分别仿真分析了两种构型的Walker星座基于微波观测和融合激光微波观测两种星间观测模式下的集中式和分布式自主定轨算法,结果表明,Walker24/6/1星座在融合激光微波星间观测下的集中式和分布式定轨结果比相同条件下采用微波观测的定轨结果误差均值降低了36.6%和10.7%,而Walker24/3/2集中式和分布式的结果误差均值分别降低了30.6%和7.9%,且融合激光微波的星间观测对卡尔曼滤波器特别是初始协方差矩阵偏差较大的滤波器的鲁棒性有所改善。(4)提出一种卫星动力学短弧段定轨和伪逆平差理论相结合的自主定轨算法。该算法利用轨道动力学建立不同历元之间状态转移关系,解决单历元最小二乘无法对速度分量进行有效估计的问题,同时,利用伪逆平差解决整网状态解算时起算数据不足带来的秩亏问题。本文给出了算法的详细解算步骤和流程图,通过误差分析选择合适的弧段长度,并在该弧段长度下对两种构型的星座基于不同星间观测进行算法仿真并分析误差。结果表明,在融合激光微波观测等权的情况下,定轨误差比基于微波观测的定轨误差略小,Walker 24/6/1和Walker 24/3/2星座误差均值分别减小8.2%和20.6%,当基于融合激光微波加权观测时,定轨误差有了大幅度减小,Walker 24/6/1和Walker 24/3/2星座误差均值分别减小了72.3%和75.0%。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN967.1
【部分图文】：

星间链路,仿真模拟

激光测距用于卫星之间，验证出，当两颗卫星距离 10μm[19]，虽然飞行编队只是小型飞行器，但是形，并且测距精度很理想。在近几年，由于激光结合为一个系统的研究越来越多，通过发送/接受的统一[20]，并成功试验于星间链路上。从最早的于SLR2000卫星激光测距机上成功，LISA系统利距离的探测，同时完成了通信的功能，在距离为 0.19m，通信速率为 20kbit/s[21]。到了 2013 年，通信一体化，下行数据达到了 622Mbit/s的速率， 2010 年成功试用于 GLOMASS-K卫星上的星间激在卫星上实现激光星间链路的成功案例，其信度为 3cm，测距范围有 55000km，测距精度和范围量要求，只是通信速率由于技术方面的原因远没是，这个试验的成功也是俄罗斯在未来 GLONA间链路发展的重要依仗。

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【参考文献】