專利名稱：編隊繞飛衛(wèi)星基于gps的星間基線測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星星間基線測量方法。
背景技術：
衛(wèi)星小尺度編隊繞飛是指由兩顆以上距離較近的衛(wèi)星，以某一點為基準保持特定的編隊構型，然后以相同的軌道周期繞地球飛行，編隊飛行的兩顆衛(wèi)星之間通過星間鏈路協同工作，完成特定的有效載荷如^SAR等高精度測量任務。^SAR編隊對基線范圍要求嚴格，編隊構型的尺度較小，對兩星之間相對位置的測量精度提出了較高的要求。兩顆衛(wèi)星質心的連線構成星間基線，而實際測量的是兩星GPS天線相位中心之間的距離，需要換算得到兩星質心間距離。目前，我國在軌編隊飛行衛(wèi)星星座是基于星間通信測距碼完成相對距離測量的， 精度較低，目前在研的利用GPS接收機進行相對定位的衛(wèi)星和飛船等交會對接飛行器均是在跟飛狀態(tài)下進行星間基線測量，精度不高，而且技術也還未得到成熟的應用。設計難點主要有(I)GPS接收機既要完成絕對定位、絕對定時，也要完成高精度雙星間基線測量，如何設計GPS接收機和GPS天線的功能和指標；(2)由于兩星之間的相對位置存在變化，如何采用合理的組陣的方式(星間通信天線的天線數量和安裝位置)，為星間通信提供穩(wěn)定可靠的射頻通道，盡量減小干涉區(qū)域和通信中斷區(qū)域。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種小尺度編隊繞飛期間基于GPS的星間高精度基線測量方法，解決了在編隊飛行前、繞飛期間和編隊飛行后的星間高精度測量問題，并通過這些高精度測量數據為編隊衛(wèi)星實現自主控制、保持穩(wěn)定構型提供必要信息。本發(fā)明的技術解決方案是編隊繞飛衛(wèi)星基于GPS的星間基線測量方法，步驟如下(1)設參與基線測量的兩顆衛(wèi)星分別為A星和B星，在A星的+X面和-X面上分別安裝一個星間通信天線，星間通信天線的電軸線與X軸平行，-X面上的星間通信天線位置高于推進倉；在A星的-Z面上安裝GPS天線，GPS天線的電軸線指向天頂方向，GPS天線的 0°方位角指向A星的+X軸方向，GPS天線高度范圍為300 310mm，在A星星體內部設置 GPS接收機和星間通信機；所述的A星各面根據A星本體坐標系確定，其中A星的本體坐標系原點為衛(wèi)星質心，X軸指向衛(wèi)星飛行方向，Z軸飛行時指向地心，Y軸與X軸、Z軸成右手系；(2)在B星的+X面和-X面上分別安裝一個星間通信天線，星間通信天線的電軸線與X軸平行，-X面上的星間通信天線位置高于推進倉；在B星的-Z面上安裝GPS天線，GPS 天線的電軸線指向天頂方向，GPS天線的0°方位角指向B星的+X軸方向，GPS天線高度范圍為215mm 225mm，在B星星體內部設置GPS接收機和星間通信機；所述的B星各面根據B星本體坐標系確定，其中B星的本體坐標系原點為衛(wèi)星質心，X軸指向衛(wèi)星飛行方向，Z軸飛行時指向地心，Y軸與X軸、Z軸成右手系；(3) A星上的GPS接收機接收GPS導航星信號，進行A星的絕對定位解算，并實時采集原始測量信息；B星上的GPS接收機接收GPS導航星信號，進行B星的絕對定位解算，并實時采集原始測量信息；星上的GPS接收機將采集到的原始測量信息通過B星的星間通信機以及兩個星間通信天線向空間輻射，當A星和B星之間的距離進入到設定范圍內時，A星的星間通信機通過兩個星間通信天線接收B星星間通信機發(fā)射的信號，解調恢復出B星GPS接收機的原始測量信息并將其傳給A星的GPS接收機；(5)A星的GPS接收機收到B星GPS接收機的原始測量信息后，采用雙差載波相位測量和雙差偽距測量方法進行相對定位測量，并將相對定位測量結果通過CAN總線傳輸給 A星的星務計算機，完成一次基線測量。所述的星間通信天線采用同旋組陣的模式，配置匹配網絡，兩個星間通信天線通過匹配網絡連接到星間通信機的兩個射頻端口。所述的B星星間通信機與B星GPS接收機通過RS422接口通信；所述的A星星間通信機與A星GPS接收機通過CAN總線通信。本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于(1)為保證星間通信連續(xù)可靠，本發(fā)明方法設計了天線安裝位置及高度，并采用同旋組陣的星間通信天線陣，可保證無線信號向全空域輻射，保證在編隊飛行的各個階段傳輸損耗最?。?2)為了保證可靠性和減少誤碼率的影響，采用本發(fā)明方法時，可以將A星星間通信接收機、GPS接收機采用熱備份設計，B星星間通信機不設下位機，與B星GPS接收機通過 RS-422接口通信，在滿足任務要求的同時簡化設備；(3)星載GPS接收機均具有載波相位測量能力，能夠輸出高精度的原始測量數據， 并可以傳輸到地面站。A星的GPS接收機采用雙差載波相位測量方法進行相對定位測量，通過原始觀測量建立雙差載波相位方程，并通過求差法消除或消弱雙星觀測值中所包含的相同或相似誤差來達到進行相對定位測量。另外，在衛(wèi)星過境時，地面站可以接收雙星的原始測量數據，進行地面驗證。


圖1為本發(fā)明方法的原理圖；圖2為本發(fā)明A星GPS天線在-Z面安裝示意圖；圖3為本發(fā)明B星GPS天線在-Z面安裝示意圖；圖4為本發(fā)明A星星間通信天線在+X面安裝示意圖；圖5為本發(fā)明A星星間通信天線在-X面安裝示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，為本發(fā)明方法的原理圖。設參與基線測量的兩顆衛(wèi)星分別為A星和 B星，則在兩顆衛(wèi)星上應當分別配置GPS接收天線、GPS接收機、星間通信機、星間通信天線陣。在進行星間基線測量之前，兩顆衛(wèi)星上的GPS接收機均接收GPS導航星信號，各自分別進行絕對定位解算，并實時采集原始測量信息。B星上的GPS接收機將采集到的原始測量信息通過RS-422接口傳給B星的星間通信機，由星間通信機進行調制并通過星間通信天線陣將原始測量信息向空間輻射。當兩顆衛(wèi)星之間的距離進入到設定范圍時，A星的星間通信機通過星間通信天線陣收到B星通信機發(fā)射的信號，進行解調恢復出B星GPS接收機的原始測量信息，并通過CAN總線通信將其傳給A星的GPS接收機。A星的GPS接收機收到數據包后，進行基線測量，計算完成后將結果通過CAN總線傳輸給A星星務，至此完成一次基線測量。GPS接收天線接收來自軌道高度為22000公里的GPS導航星星座信號。B星的GPS接收機進行絕對定位、定軌處理，A星的GPS接收機采用雙差載波相位測量和雙差偽距測量方法進行相對定位測量。通過原始觀測量建立雙差偽距觀測方程或雙差載波相位觀測方程，并通過求差法消除或消弱雙星觀測值中所包含的相同或相似誤差來達到進行相對定位測量。測量時可以采取分區(qū)間、分級測量策略，在兩星相距超過5km時選擇適用于長基線測量的雙差偽距測量方法，可得到小于an的基線測量精度；在兩星距離小于5km時選擇適用于短基線測量的雙差載波相位測量方法，可得到小于IOcm的基線測量精度。B星的星間通信機具有發(fā)射功能，采用BPSK調制方式。A星的星間通信機具有接收功能，采用數據校驗措施的接收雙備份通信體制。在A、B兩星逼近直到繞飛的過程中，B星的GPS接收機對接收到的數據進行組幀、添加校驗位，輸出的數據送入B星星間通信機進行直調，B星星間通信機送給B星的星間通信天線，信號在自由空間環(huán)境中傳播，A星的星間通信天線接收無線信號，并將信號轉到A星的星間通信機，星間通信機對兩路信號進行解調、 信息校驗。A星的本體坐標系原點為衛(wèi)星質心，X軸指向衛(wèi)星飛行方向，Z軸飛行時指向地心， Y軸與X、Z軸成右手系。如圖2所示，A星的GPS天線在A星的-Z面上靠近+X側和-Y側安裝，天線中心距離+X側100mm、距離-Y側315mm。。GPS天線的電軸線指向天頂方向，GPS 天線的0°方位角指向A星的+X軸方向，通過測試，在安裝包絡限制高度下，GPS天線高度范圍為300 310mm范圍內各向增益最大，因此確定天線高度在此范圍內。B星的本體坐標系原點為衛(wèi)星質心，X軸指向衛(wèi)星飛行方向，Z軸飛行時指向地心， Y軸與X、ζ軸成右手系。如圖3所示，B星的GPS天線安裝在B星的-Z面上，靠近-Y側和-X側安裝，天線中心距離-Y側100mm、距離-X側170mm。GPS天線的電軸線指向天頂方向，GPS天線的0°方位角指向B星的+X軸方向，通過測試，GPS天線高度范圍為215mm 225mm范圍內各向增益最大，因此確定GPS天線高度在此范圍內。為了接收盡量多的導航星信號，GPS天線必須具有較大的方向圖覆蓋區(qū)域，并工作于一個良好的電磁環(huán)境，盡量避免被遮擋和干擾。GPS天線的安裝原則如下(I)GPS天線裝于衛(wèi)星的-Z面上，天線電軸線指向天頂方向，在天線周圍0 85° 范圍內盡量減小遮擋，工作于一個良好的電磁環(huán)境；(2)為了減小多徑效應的影響，天線盡量架高，天線太高又會有散射問題，還要綜合考慮衛(wèi)星包絡的問題；因此，通過測試，當A星的GPS天線高304mm，B星的GPS天線高 220mm,此時GPS天線各方向增益最大；
(3)天線的0°方位角指向衛(wèi)星本體坐標系的+X軸方向，并以此作為標定相位中心的起點；(4) GPS天線在星體上的安裝誤差在裝星標定保證小于士0. 5mm(1 ο，三軸)；兩顆衛(wèi)星進行對地飛行的同時實現繞飛，兩顆衛(wèi)星之間的相對位置存在變化，天線輻射方向圖需覆蓋以X軸為軸線的士66度范圍，由于衛(wèi)星調姿及軌道機動，天線最好為全空間覆蓋，確保良好的星間通信鏈路。星間通信天線陣設計如下(1)星間通信天線陣由星間通信天線、星間通信網絡、電纜組成，A、B兩星的星間通信天線采用同旋組陣的模式，配置匹配網絡，各個天線通過匹配網絡連接到星間通信機的兩個射頻端口；(2)每顆星的星間通信天線陣由兩個同旋組陣的天線組成，當兩衛(wèi)星一前一后飛行時，兩衛(wèi)星天線前向輻射區(qū)相對，增益滿足鏈路要求。當衛(wèi)星連線與飛行方向接近垂直時，同邊相距較近的天線工作，依然滿足鏈路要求。當衛(wèi)星姿態(tài)改變時，同旋天線組成近圓輻射方向圖，任意方向均無輻射盲區(qū)，且天線互為備份工作，可靠性高；(3)Α星的星間通信天線安裝在A星的+X面和-X面上，天線軸線與X面平行。星間通信天線1安裝在A星+X面，經測試，安裝高度為354mm士5mm時全空間增益最大。星間通信天線2在A星-X面安裝，經測試，安裝高度為404mm士5mm時全空間增益最大。因此確定兩星間通信天線高度在此范圍內。星運行軌跡在A星+X面上的投影為圖4斜虛線，B星運行軌跡在A星-X面上的投影為圖5斜虛線。為了避免干涉區(qū)相對，2個星間通信天線在星體+X面和-X面上的安裝位置距離B星運行軌跡在A星+X面和-X面上的投影要盡量遠。如圖4所示，星間通信天線1在A星+X面靠近+Z側安裝，天線中心距+Y側590mm、距+Z側130mm。如圖5所示， 星間通信天線2在A星-X面靠近+Y、+Z側安裝，天線中心距+Y側360mm、距+Z側310mm。(5)安裝位置適當遠離有電磁干涉的設備，適當遠離電推進設備；(6)安裝過程中要考慮其它設備的遮擋效應，星間通信天線通信區(qū)域內不能受遮擋，并具有較好的增益特性；(7)在表面特性比較復雜的-X面，星間通信天線位置高于推進倉。B星的星間通信天線安裝原則與A星基本相同，不同之處在于，根據衛(wèi)星安裝包絡要求和增益要求設計安裝高度。在包絡要求范圍內，經測試，天線高度在234士2mm時天線全空間增益最大，因此確定安裝高度為234mm。另外，A星和B星的原始測量信息均可以通過星地鏈路下傳至地面站，在地面進行解算以驗證在軌解算結果。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1.編隊繞飛衛(wèi)星基于GPS的星間基線測量方法，其特征在于步驟如下(1)設參與基線測量的兩顆衛(wèi)星分別為A星和B星，在A星的+X面和-X面上分別安裝一個星間通信天線，星間通信天線的電軸線與X軸平行，-X面上的星間通信天線位置高于推進倉；在A星的-Z面上安裝GPS天線，GPS天線的電軸線指向天頂方向，GPS天線的0° 方位角指向A星的+X軸方向，GPS天線高度范圍為300 310mm，在A星星體內部設置GPS 接收機和星間通信機；所述的A星各面根據A星本體坐標系確定，其中A星的本體坐標系原點為衛(wèi)星質心，X軸指向衛(wèi)星飛行方向，Z軸飛行時指向地心，Y軸與X軸、Z軸成右手系；(2)在B星的+X面和-X面上分別安裝一個星間通信天線，星間通信天線的電軸線與X 軸平行，-X面上的星間通信天線位置高于推進倉；在B星的-Z面上安裝GPS天線，GPS天線的電軸線指向天頂方向，GPS天線的0°方位角指向B星的+X軸方向，GPS天線高度范圍為215mm 225mm，在B星星體內部設置GPS接收機和星間通信機；所述的B星各面根據B 星本體坐標系確定，其中B星的本體坐標系原點為衛(wèi)星質心，X軸指向衛(wèi)星飛行方向，Z軸飛行時指向地心，Y軸與X軸、Z軸成右手系；(3)A星上的GPS接收機接收GPS導航星信號，進行A星的絕對定位解算，并實時采集原始測量信息；B星上的GPS接收機接收GPS導航星信號，進行B星的絕對定位解算，并實時采集原始測量信息；星上的GPS接收機將采集到的原始測量信息通過B星的星間通信機以及兩個星間通信天線向空間輻射，當A星和B星之間的距離進入到設定范圍內時，A星的星間通信機通過兩個星間通信天線接收B星星間通信機發(fā)射的信號，解調恢復出B星GPS接收機的原始測量信息并將其傳給A星的GPS接收機；(5) A星的GPS接收機收到B星GPS接收機的原始測量信息后，采用雙差載波相位測量和雙差偽距測量方法進行相對定位測量，并將相對定位測量結果通過CAN總線傳輸給A星的星務計算機，完成一次基線測量。
2.根據權利要求1所述的編隊繞飛衛(wèi)星基于GPS的星間基線測量方法，其特征在于 所述的星間通信天線采用同旋組陣的模式，配置匹配網絡，兩個星間通信天線通過匹配網絡連接到星間通信機的兩個射頻端口。
3.根據權利要求1所述的編隊繞飛衛(wèi)星基于GPS的星間基線測量方法，其特征在于 所述的B星星間通信機與B星GPS接收機通過RS422接口通信。
4.根據權利要求1所述的編隊繞飛衛(wèi)星基于GPS的星間基線測量方法，其特征在于 所述的A星星間通信機與A星GPS接收機通過CAN總線通信。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種編隊繞飛衛(wèi)星基于GPS的星間基線測量方法，兩星(A星和B星)GPS接收機接收導航星信號，并各自解算定位信息。兩星的星間通信機和星間通信天線陣共同構成單向通信的星間通信鏈路，兩星在星體+X面和-X面都分別安裝一個同旋天線組陣。B星的星間通信機通過RS422接口接收B星GPS定位信息并將其調制、放大為射頻線號，通過星間通信天線向全空間輻射。A星的星間通信機收到B星發(fā)射的信號，進行解調恢復出B星GPS原始測量信息，并通過CAN總線傳給A星的GPS接收機，在A星GPS接收機中進行相對定位解算并將結果再通過CAN總線廣播，完成一次星間基線測量。
文檔編號G01S19/14GK102323597SQ20111024176
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權日2011年8月19日
發(fā)明者劉一薇, 劉曉榮, 張蕾, 李東俊, 楊小江, 臧榮春, 趙志明, 陸波, 高曉艷 申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司