基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法

摘要

本发明涉及航天器控制技术领域，本发明提供了一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法，其中方法包括：建立基于位置速度矢量微分方程表达的轨道动力学模型；基于GNSS导航数据和天文导航数据分别调用轨道动力学模型进行外推计算，得到第一外推计算结果和第二外推计算结果；判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，若是，利用该有效的新的GNSS导航数据对第一外推计算结果和第二外推计算结果进行校正；根据当前选择的外推计算结果输出自主轨道确定结果；该当前选择的外推计算结果为所述第一外推计算结果或所述第二外推计算结果。本方案，在保证精度和可靠性的前提下能够实现高轨卫星的长时间自主工作。

权利要求

1.一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法，其特征在于，包括：

建立基于位置速度矢量微分方程表达的轨道动力学模型；

基于GNSS导航数据和天文导航数据分别调用所述轨道动力学模型进行外推计算，得到基于GNSS导航数据的第一外推计算结果和基于天文导航数据的第二外推计算结果；

判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，若是，利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果和所述第二外推计算结果进行校正；

根据当前选择的外推计算结果输出自主轨道确定结果；该当前选择的外推计算结果为所述第一外推计算结果或所述第二外推计算结果；

得到基于天文导航数据的第二外推计算结果，包括：基于天文导航数据调用所述轨道动力学模型进行外推计算之后，得到第二外推初始计算结果；利用天文导航使用的光学敏感器对第二外推初始计算结果进行滤波修正，得到第二外推计算结果；

利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第二外推计算结果进行校正，包括：根据该有效的新的GNSS导航数据对天文导航使用的光学敏感器进行补偿系数的校正，以利用校正后的光学敏感器对下一个时刻进行外推计算得到的第二外推初始计算结果进行滤波修正；

所述根据该有效的新的GNSS导航数据对天文导航使用的光学敏感器进行补偿系数的校正，包括：根据该有效的新的GNSS导航数据和星敏感器测量得到的惯性坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵，计算轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵；利用轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵计算得到本体坐标系相对轨道坐标系的滚动角和俯仰角；将本体坐标系相对轨道坐标系的滚动角和俯仰角，与地球敏感器测量的滚动角和俯仰角中对应角的差值作为对应角的补偿值，以根据补偿值得到光学敏感器补偿系数的拟合值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，包括：确定GNSS接收机在当前时刻是否接收到新的GNSS导航数据；

若是，则基于预设条件对该新的GNSS导航数据进行有效性验证；若所述预设条件均满足，则判定该新的GNSS导航数据有效。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设条件包括如下中的至少一种：GNSS接收机的输出标志为有效；

该新的GNSS导航数据的时标与当前星时之差位于第一设定范围内；

根据该新的GNSS导航数据计算的轨道根数误差在第二设定范围内；

根据该新的GNSS导航数据计算的绝对位置误差在第三设定范围内；和，

根据该新的GNSS导航数据确定GNSS接收机输出的前后两拍绝对位置数据有更新。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果进行校正，包括：将当前时刻测量得到的有效的新的GNSS导航数据作为所述第一外推计算结果，以将校正后第一外推计算结果作为下一个时刻进行外推计算的初值。

5.一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定装置，其特征在于，包括：

模型构建单元，用于建立基于位置速度矢量微分方程表达的轨道动力学模型；

外推计算单元，用于基于GNSS导航数据和天文导航数据分别调用所述轨道动力学模型进行外推计算，得到基于GNSS导航数据的第一外推计算结果和基于天文导航数据的第二外推计算结果；

有效数据判定单元，用于判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，若是，触发校正单元执行相应操作；

所述校正单元，用于利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果和所述第二外推计算结果进行校正；

轨道确定单元，用于根据当前选择的外推计算结果输出自主轨道确定结果；该当前选择的外推计算结果为所述第一外推计算结果或所述第二外推计算结果；

所述外推计算单元在外推计算得到基于天文导航数据的第二外推计算结果时，具体包括：基于天文导航数据调用所述轨道动力学模型进行外推计算之后，得到第二外推初始计算结果；利用天文导航使用的光学敏感器对第二外推初始计算结果进行滤波修正，得到第二外推计算结果；

所述校正单元在利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第二外推计算结果进行校正时，具体包括：根据该有效的新的GNSS导航数据对天文导航使用的光学敏感器进行补偿系数的校正，以触发所述外推计算单元利用校正后的光学敏感器对下一个时刻进行外推计算得到的第二外推初始计算结果进行滤波修正；

所述校正单元在利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第二外推计算结果进行校正时，具体包括：根据该有效的新的GNSS导航数据和星敏感器测量得到的惯性坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵，计算轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵；利用轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵计算得到本体坐标系相对轨道坐标系的滚动角和俯仰角；将本体坐标系相对轨道坐标系的滚动角和俯仰角，与地球敏感器测量的滚动角和俯仰角中对应角的差值作为对应角的补偿值，以根据补偿值得到光学敏感器补偿系数的拟合值。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述有效数据判定单元，具体用于：确定GNSS接收机在当前时刻是否接收到新的GNSS导航数据；若是，则基于预设条件对该新的GNSS导航数据进行有效性验证；若所述预设条件均满足，则判定该新的GNSS导航数据有效。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设条件包括如下中的至少一种：GNSS接收机的输出标志为有效；

该新的GNSS导航数据的时标与当前星时之差位于第一设定范围内；

根据该新的GNSS导航数据计算的轨道根数误差在第二设定范围内；

根据该新的GNSS导航数据计算的绝对位置误差在第三设定范围内；和，

根据该新的GNSS导航数据确定GNSS接收机输出的前后两拍绝对位置数据有更新。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述校正单元在利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果进行校正时，具体包括：将当前时刻测量得到的有效的新的GNSS导航数据作为所述第一外推计算结果，以将校正后第一外推计算结果作为下一个时刻进行外推计算的初值。

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1‑4中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行权利要求1‑4中任一项所述的方法。

说明书

基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及航天器控制技术领域，特别涉及一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法。

背景技术

[0002] 东方红五号卫星公用平台（DFH‑5平台）是我国新一代大型地球同步轨道卫星公用平台。随着我国高轨卫星应用需求的不断增大，在轨运行的卫星数目越来越多，完全依靠地面站测控，会造成地面站的负担过重，也使卫星系统变得非常脆弱。因此，DFH‑5平台要求具备180天自主运行能力，这就要求完全利用星载测量设备和计算装置而不依赖于地面设备和人员支持进行星上自主轨道确定、位置保持、姿态确定和姿态控制，其中，自主轨道确定是进行位置保持、姿态确定和姿态控制的基础，因此，星上自主轨道确定的精度和可靠性必须满足180天自主工作需求。

[0003] 目前对于高轨卫星的导航方法包括天文导航和GNSS的半自主导航两大类。其中，天文导航具有全自主特点，但是导航精度不足；而GNSS的半自主导航虽然精度高，但存在导航星数量较少、导航信号衰减严重且不连续的缺点。

[0004] 因此，需要提供一种高轨卫星自主轨道确定方法，以在保证精度和可靠性的前提下实现高轨卫星的长时间自主工作。

发明内容

[0005] 本发明实施例提供了一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法，在保证精度和可靠性的前提下能够实现高轨卫星的长时间自主工作。

[0006] 第一方面，本发明实施例提供了一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法，包括：

[0007] 建立基于位置速度矢量微分方程表达的轨道动力学模型；

[0008] 基于GNSS导航数据和天文导航数据分别调用所述轨道动力学模型进行外推计算，得到基于GNSS导航数据的第一外推计算结果和基于天文导航数据的第二外推计算结果；

[0009] 判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，若是，利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果和所述第二外推计算结果进行校正；

[0010] 根据当前选择的外推计算结果输出自主轨道确定结果；该当前选择的外推计算结果为所述第一外推计算结果或所述第二外推计算结果。

[0011] 第二方面，本发明实施例还提供了一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定装置，包括：

[0012] 模型构建单元，用于建立基于位置速度矢量微分方程表达的轨道动力学模型；

[0013] 外推计算单元，用于基于GNSS导航数据和天文导航数据分别调用所述轨道动力学模型进行外推计算，得到基于GNSS导航数据的第一外推计算结果和基于天文导航数据的第二外推计算结果；

[0014] 有效数据判定单元，用于判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，若是，触发校正单元执行相应操作；

[0015] 所述校正单元，用于利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果和所述第二外推计算结果进行校正；

[0016] 轨道确定单元，用于根据当前选择的外推计算结果输出自主轨道确定结果；该当前选择的外推计算结果为所述第一外推计算结果或所述第二外推计算结果。

[0017] 第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本说明书任一实施例所述的方法。

[0018] 第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行本说明书任一实施例所述的方法。

[0019] 本发明实施例提供了一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法，通过在卫星上自主维护两套独立的轨道数据，一套是基于GNSS导航数据调用轨道动力学模型进行外推计算得到的第一外推计算结果，另一套是基于天文导航数据调用轨道动力学模型进行外推计算得到的第二外推计算结果，然后基于当前时刻测量得到的有效的新的GNSS导航数据来对这两套外推计算结果分别进行校正，从而可以得到准确的轨道数据。由于这两套轨道数据相互独立，可以避免发生故障的情况下轨道数据的交叉污染，以保证轨道数据的可靠性和精度，且可以根据实际情况调整当前选择的外推计算结果，从而可以在保证精度和可靠性的前提下实现高轨卫星的长时间自主工作。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0021] 图1是本发明一实施例提供的一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法流程图；

[0022] 图2是本发明一实施例提供的一种天文导航数据校正的滚动角等效偏差4阶傅立叶级数拟合曲线；

[0023] 图3是本发明一实施例提供的一种天文导航数据校正的俯仰角等效偏差4阶傅立叶级数拟合曲线；

[0024] 图4是本发明一实施例提供的一种校正前后的卫星自主轨道确定误差示意图；

[0025] 图5是本发明一实施例提供的一种电子设备的硬件架构图；

[0026] 图6是本发明一实施例提供的一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定装置结构图。

具体实施方式

[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 请参考图1，本发明实施例提供了一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法，该方法包括：

[0029] 步骤100，建立基于位置速度矢量微分方程表达的轨道动力学模型；

[0030] 步骤102，基于GNSS导航数据和天文导航数据分别调用所述轨道动力学模型进行外推计算，得到基于GNSS导航数据的第一外推计算结果和基于天文导航数据的第二外推计算结果；

[0031] 步骤104，判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，若是，利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果和所述第二外推计算结果进行校正；

[0032] 步骤106，根据当前选择的外推计算结果输出自主轨道确定结果；该当前选择的外推计算结果为所述第一外推计算结果或所述第二外推计算结果。

[0033] 本发明实施例中，通过在卫星上自主维护两套独立的轨道数据，一套是基于GNSS导航数据调用轨道动力学模型进行外推计算得到的第一外推计算结果，另一套是基于天文导航数据调用轨道动力学模型进行外推计算得到的第二外推计算结果，然后基于当前时刻测量得到的有效的新的GNSS导航数据来对这两套外推计算结果分别进行校正，从而可以得到准确的轨道数据。由于这两套轨道数据相互独立，可以避免发生故障的情况下轨道数据的交叉污染，以保证轨道数据的可靠性和精度，且可以根据实际情况调整当前选择的外推计算结果，从而可以在保证精度和可靠性的前提下实现高轨卫星的长时间自主工作。

[0034] 下面描述图1所示的各个步骤的执行方式。

[0035] 首先，针对步骤100，建立基于位置速度矢量微分方程表达的轨道动力学模型。

[0036] 轨道动力学模型可以通过多种方式进行表达，本发明实施例中，选取卫星在地心赤道惯性坐标系下的位置和速度矢量 作为状态变量，建立基于位置速度矢量微分方程表达的通用化轨道动力学模型，通过对该轨道动力学模型的数值积分进行外推计算，可得到卫星在任意给定时刻的预估位置和预估速度，可以根据该预估位置和预估速度对卫星进行控制。

[0037] 本发明实施例中，基于位置速度矢量微分方程表达的通用化轨道动力学模型为：

[0038]

[0039] 其中， 为卫星加速度矢量， ，为卫星位置矢量（J2000惯性坐标系）， 为卫星速度矢量（J2000惯性坐标系）， 为卫星地
心距， 为地心引力常数。 是除地球中心引力加速度外其它因素对卫星的摄动加
速度矢量，摄动项与地球非球形摄动、太阳和月球引力摄动、太阳光压摄动、大气阻力摄动和喷气摄动中的至少一种有关。

[0040] 然后，针对步骤102，基于GNSS导航数据和天文导航数据分别调用所述轨道动力学模型进行外推计算，得到基于GNSS导航数据的第一外推计算结果和基于天文导航数据的第二外推计算结果。

[0041] 本发明实施例中，为了保证卫星能够长时间的自主工作，需要由卫星同时自主维护两套独立的轨道数据，一套轨道数据是基于GNSS导航数据调用轨道动力学模型进行外推计算得到的第一外推计算结果，另一套轨道数据是基于天文导航数据调用轨道动力学模型进行外推计算得到的第二外推计算结果。

[0042] 针对第一套轨道数据，具体地，在每一个当前时刻，均执行：基于GNSS导航数据，输入上一时刻的卫星位置矢量估计值 和上一时刻的卫星速度矢量估计值  ；利用输入调用轨道动力学模型的数值积分进
行外推计算，完成轨道数据的预估，输出当前时刻卫星位置矢量估计值 和当前时刻卫星速度矢量估计值 。

[0043] 其中，当前时刻卫星位置矢量估计值 和当前时刻卫星速度矢量估计值即为第一外推计算结果。

[0044] 由于GNSS接收机为半自主导航，且存在信号微弱、可见星少等问题，因此，上一时刻的卫星位置矢量估计值 和上一时刻的卫星速度矢量估计值 ，可以是GNSS接收机在上一时刻测量得到的，也可以是基于GNSS导航数据在上一个外推周期中外推之后得到的。

[0045] 针对第二套轨道数据，具体地，在每一个当前时刻，均执行：基于天文导航数据，输入上一时刻的卫星位置矢量估计值 和上一时刻的卫星速度矢量估计值 ；利用输入对轨道动力学模型的数值积分进行外
推计算，完成轨道数据的预估，输出当前时刻卫星位置矢量估计值 和当前时刻卫星速度矢量估计值 。

[0046] 其中，基于天文导航数据调用所述轨道动力学模型进行外推计算之后，得到第二外推初始计算结果，即当前时刻卫星位置矢量估计值 和当前时刻卫星速度矢量估计值 为第二外推初始计算结果。

[0047] 为了保证天文导航数据的外推计算结果的准确性，还需要利用天文导航使用的光学敏感器对第二外推初始计算结果进行滤波修正，得到第二外推计算结果。具体地，选取地心矢量在本体坐标系下投影的X和Y分量作为观测量，通过星敏感器测量的惯性坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵，将惯性坐标系下的卫星位置矢量估计值 转换到本体坐标系下，将转换的位置矢量估计值与基于地球敏感器的观测量求差作为新息，实现状态变量的滤波修正，从而获得经光学敏感器滤波修正的卫星位置矢量估计值 和卫星速度矢量估计值 。将滤波修正的卫星位置矢量估计值 和卫星速度矢量估计值 作为第二外推计算结果。

[0048] 需要说明的是，无论当前选择的是上述哪一套轨道数据，两套轨道数据均需要分别维护，且一直处于外推计算过程中，以保证两套轨道数据的独立性。

[0049] 接下来，针对步骤104，判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，若是，利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果和所述第二外推计算结果进行校正。

[0050] 由于高轨卫星使用GNSS定轨存在导航星少、导航信号弱等问题，因此，需要加强对GNSS接收机输出的GNSS导航数据的有效性判断，且需要在GNSS导航数据使用之前进行有效性判断。具体地，本发明实施例中，本步骤104可以包括：确定GNSS接收机在当前时刻是否接收到新的GNSS导航数据；若是，则基于预设条件对该新的GNSS导航数据进行有效性验证；若所述预设条件均满足，则判定该新的GNSS导航数据有效。

[0051] 在进行有效性判断时，需要综合多个条件进行判断，当确定所需判断的多个条件之后，当这些条件全部满足时，判断GNSS导航数据有效，若任意一项不满足，则判断GNSS导航数据无效。本发明实施例中，可以通过如下预设条件中的至少一种对该新的GNSS导航数据进行有效性验证：

[0052] (a)GNSS接收机的输出标志为有效；

[0053] 该条件是对GNSS硬件模式进行的判断，要求GNSS硬件输出信号同时满足如下四个子条件：a1、导航信号定位标志为“定位”；a2、导航信号校验和验证通过；a3、校时信号数据状态为“数据有效”；a4、校时信号校验和验证通过。

[0054] (b)该新的GNSS导航数据的时标与当前星时之差位于第一设定范围内；

[0055] 其中，GNSS导航数据的时标与当前星时之差的第一设定范围的阈值根据GNSS更新频率以及定轨精度要求来确定。

[0056] (c)根据该新的GNSS导航数据计算的轨道根数误差在第二设定范围内；

[0057] 具体地，是要求该新的GNSS导航数据解算的地心距或半长轴与标称地心距或半长轴的误差在第二设定范围内。其中，第二设定范围的阈值根据标称轨道高度确定。

[0058] (d)根据该新的GNSS导航数据计算的绝对位置误差在第三设定范围内；

[0059] 具体地，是要求该新的GNSS导航数据计算的绝对位置与当前星上轨道的绝对位置之间的误差在第三设定范围内。具体地，该条件是考虑GNSS短时不可用时，轨道外推误差范围，使得一方面避免GNSS导航数据野值污染轨道，另一方面避免GNSS短时不可用后外推误差导致GNSS导航数据无法再次引入。

[0060] (e)根据该新的GNSS导航数据确定GNSS接收机输出的前后两拍绝对位置数据有更新。

[0061] 具体地，可以主要考虑惯性坐标系X、Y两个方向的位置数据是否更新，一般可设定很小的判断阈值，当前后两拍数据有数值上的变化即可认为数据有更新。

[0062] 基于上述预设条件，本步骤的判定结果包括两种：

[0063] 第一种：判定结果为是，表明GNSS接收机当前时刻测量得到新的GNSS导航数据且有效；

[0064] 第二种：判定结果为否，表明GNSS接收机当前时刻未测量得到新的GNSS导航数据，或，当前GNSS接收机当前时刻测量得到新的GNSS导航数据但无效。

[0065] 当为第一种判定结果时，表明GNSS接收机是正常的，该新的GNSS导航数据是可以使用的；当为第二种判定结果时，表明GNSS接收机是异常的，无法使用GNSS接收机直接测量的GNSS导航数据。

[0066] 具体地，若本步骤中为第一种判定结果时，那么利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果和所述第二外推计算结果进行校正，以提高外推计算结果的准确性。

[0067] 在对第一外推计算结果进行校正时，具体地，将当前时刻测量得到的有效的新的GNSS导航数据作为所述第一外推计算结果，以将校正后第一外推计算结果作为下一个时刻进行外推计算的初值。

[0068] 也就是说，对于输出的当前时刻卫星位置矢量估计值 和当前时刻卫星速度矢量估计 ，是预估值，而当前时刻已经测量得到实际值，因此，可以将测量的有效的新的GNSS导航数据作为第一外推计算结果，以用于下一时刻的预估。

[0069] 在对第二外推计算结果进行校正时，具体地，根据该有效的新的GNSS导航数据对天文导航使用的光学敏感器进行补偿系数的校正，以利用校正后的光学敏感器对下一个时刻进行外推计算得到的第二外推初始计算结果进行滤波修正。

[0070] 基于光学敏感器的天文导航定轨精度主要受光学敏感器的相对基准偏差影响。对于高轨卫星天文导航常用的星敏感器和地球敏感器，由于在轨热变形等因素影响，会导致两类敏感器的测量存在频谱成分为轨道周期的1 3次项的系统偏差。~

[0071] 由于GNSS导航数据比天文导航数据的精度更高，因此可以根据该有效的新的GNSS导航数据，对天文导航使用的光学敏感器进行补偿系数的校正，利用校正后的光学敏感器对下一个时刻进行外推计算得到的第二外推初始计算结果进行滤波修正。

[0072] 具体地，在根据该有效的新的GNSS导航数据对天文导航使用的光学敏感器进行补偿系数的校正时，该校正方式可以包括如下步骤S1 S3：~

[0073] S1、根据该有效的新的GNSS导航数据和星敏感器测量得到的惯性坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵 ，计算轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵 ；

[0074] 其中，根据该有效的新的GNSS导航数据可以解算出惯性坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵 ，那么轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵 为：

[0075]

[0076] S2、利用轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵计算得到本体坐标系相对轨道坐标系的滚动角和俯仰角；

[0077] 本发明实施例中，当设定一定的欧拉角转序后，则可以由姿态转换矩阵 解算出本体坐标系相对于轨道坐标系的滚动角和俯仰角。不同欧拉角转序可以测量得到不同的结果。

[0078] S3、将本体坐标系相对轨道坐标系的滚动角和俯仰角，与地球敏感器测量的滚动角和俯仰角中对应角的差值作为对应角的补偿值，以根据补偿值得到光学敏感器补偿系数的拟合值。

[0079] 当欧拉角转序确定后，可以得出地球敏感器的滚动角和俯仰角补偿值，将其分别表达为N阶傅里叶级数形式如下：

[0080]

[0081]

[0082] 其中， 为滚动角补偿值； 为俯仰角补偿值；N为傅里叶级数阶数，取值为大于0的整数；k=1，2，…N； 为滚动角各阶倍频； 、 为滚动角各阶正弦补偿系数；为滚动角各阶余弦补偿系数； 俯仰角各阶倍频； 、 为俯仰角各阶正弦补偿系数；
为俯仰角各阶余弦补偿系数；为星上计时。

[0083] 其中，在利用补偿值得到光学敏感器补偿系数的拟合值时，该使用的补偿值是至少一个轨道周期的补偿值序列，经由上述两个公式给出的拟合方法，可以得到滚动角和俯仰角各阶正弦及余弦补偿系数，从而实现光学敏感器补偿校正。

[0084] 本发明实施例中，利用高精度的有效的GNSS导航数据，校正地球敏感器测量的滚动角和俯仰角等效偏差，从而将用于天文导航的光学敏感器校正到统一的基准上，进而可以提高天文导航精度。

[0085] 本发明实施例中，给出了天文导航数据校正的滚动角补偿值4阶傅立叶级数拟合曲线如图2所示，图2中phiout vs.t为对滚动角测量偏差补偿值进行的采样，fit5为滚动角测量偏差补偿值的拟合曲线；天文导航数据校正的俯仰角补偿值4阶傅立叶级数拟合曲线如图3所示，图3中thtout vs.t为对俯仰角测量偏差补偿值进行的采样，fit5为俯仰角测量偏差补偿值的拟合曲线。通过傅里叶级数拟合获取下式中4阶傅里叶级数表达形式的各项参数：

[0086]

[0087]

[0088] 将上述形式的滚动角和俯仰角等效偏差用于补偿地球敏感器测量的滚动角和俯仰角，则可实现星敏感器和地球敏感器之间的相对偏差校正，校正前后的卫星自主轨道确定误差如图4所示，横坐标为日期，纵坐标为误差（单位km）。图4中可知，补偿的日期在24日19点左右，可见，补偿前单轴导航数据的位置误差约50km；补偿后导航数据收敛，且误差逐渐变小，27日起单轴导航数据位置误差小于5km。

[0089] 也就是说，每当GNSS接收机测量得到有效的新的GNSS导航数据时，利用该新的GNSS导航数据对基于GNSS导航数据的外推计算过程和基于天文导航数据的外推计算过程进行校正，以提高所维护的两套导航数据的准确性。

[0090] 最后，针对步骤106，根据当前选择的外推计算结果输出自主轨道确定结果；该当前选择的外推计算结果为所述第一外推计算结果或所述第二外推计算结果。

[0091] 本发明实施例中，若当前选择的外推计算结果为第一外推计算结果，那么可以将第一外推计算结果作为自主轨道确定结果进行输出；若当前选择的外推计算结果为第二外推计算结果，那么可以将第二外推计算结果作为自主轨道确定结果进行输出。

[0092] 在高轨卫星长时工作过程中，可以基于实际情况确定所选择的外推计算结果。若GNSS导航数据可用，则可以优先选择第一外推计算结果，若GNSS导航数据长时不可用，则可以优先选择第二外推计算结果。

[0093] 本发明实施例中，自主维护基于GNSS和天文导航的两套轨道数据，两套轨道数据相互独立，避免故障情况下数据交叉污染，同时提供了相互校验的基础；另外，针对高轨卫星上GNSS信号微弱、可见星少等问题，融合了GNSS硬件状态、GNSS数据解算的重要轨道根数和位置信息以及星上轨道数据的动态特性，对GNSS测量的导航数据进行较为完备的有效性校验，确保星上选用连续、可靠的轨道数据。

[0094] 进一步地，在应用光学敏感器实施自主导航的基础上，融合GNSS测量信息，实现光学敏感器测量偏差的精确校正，经在轨试验验证，校正后的天文导航定位精度可达优于5km。

[0095] 更进一步地，经DFH‑5平台首发星在轨飞行验证，可实现卫星连续、稳定、高精度的自主轨道确定，有助于增强卫星的自主生存能力、减轻地面测控系统的负担、降低为保障卫星运行所需地面支持的费用。此外还可以克服地域条件对地面测控站数量和分布范围的限制，扩大卫星定点区域、拓展服务范围。

[0096] 如图5、图6所示，本发明实施例提供了一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。从硬件层面而言，如图5所示，为本发明实施例提供的一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定装置所在电子设备的一种硬件架构图，除了图5所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的电子设备通常还可以包括其他硬件，如负责处理报文的转发芯片等等。以软件实现为例，如图6所示，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在电子设备的CPU将非易失性存储器中对应的计算机程序读取到内存中运行形成的。本实施例提供的一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定装置，包括：

[0097] 模型构建单元601，用于建立基于位置速度矢量微分方程表达的轨道动力学模型；

[0098] 外推计算单元602，用于基于GNSS导航数据和天文导航数据分别调用所述轨道动力学模型进行外推计算，得到基于GNSS导航数据的第一外推计算结果和基于天文导航数据的第二外推计算结果；

[0099] 有效数据判定单元603，用于判定GNSS接收机当前时刻是否测量得到有效的新的GNSS导航数据，若是，触发校正单元执行相应操作；

[0100] 所述校正单元604，用于利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果和所述第二外推计算结果进行校正；

[0101] 轨道确定单元605，用于根据当前选择的外推计算结果输出自主轨道确定结果；该当前选择的外推计算结果为所述第一外推计算结果或所述第二外推计算结果。

[0102] 在本发明一个实施例中，所述有效数据判定单元，具体用于：确定GNSS接收机在当前时刻是否接收到新的GNSS导航数据；若是，则基于预设条件对该新的GNSS导航数据进行有效性验证；若所述预设条件均满足，则判定该新的GNSS导航数据有效。

[0103] 在本发明一个实施例中，所述预设条件包括如下中的至少一种：

[0104] GNSS接收机的输出标志为有效；

[0105] 该新的GNSS导航数据的时标与当前星时之差位于第一设定范围内；

[0106] 根据该新的GNSS导航数据计算的轨道根数误差在第二设定范围内；

[0107] 根据该新的GNSS导航数据计算的绝对位置误差在第三设定范围内；和，

[0108] 根据该新的GNSS导航数据确定GNSS接收机输出的前后两拍绝对位置数据有更新。

[0109] 在本发明一个实施例中，所述校正单元在利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第一外推计算结果进行校正时，具体包括：将当前时刻测量得到的有效的新的GNSS导航数据作为所述第一外推计算结果，以将校正后第一外推计算结果作为下一个时刻进行外推计算的初值。

[0110] 在本发明一个实施例中，所述外推计算单元在外推计算得到基于天文导航数据的第二外推计算结果时，具体包括：基于天文导航数据调用所述轨道动力学模型进行外推计算之后，得到第二外推初始计算结果；利用天文导航使用的光学敏感器对第二外推初始计算结果进行滤波修正，得到第二外推计算结果。

[0111] 在本发明一个实施例中，校正单元在利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第二外推计算结果进行校正时，具体包括：根据该有效的新的GNSS导航数据对天文导航使用的光学敏感器进行补偿系数的校正，以触发所述外推计算单元利用校正后的光学敏感器对下一个时刻进行外推计算得到的第二外推初始计算结果进行滤波修正。

[0112] 在本发明一个实施例中，所述校正单元在利用该有效的新的GNSS导航数据对所述第二外推计算结果进行校正时，具体包括：

[0113] 根据该有效的新的GNSS导航数据和星敏感器测量得到的惯性坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵，计算轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵；

[0114] 利用轨道坐标系到本体坐标系的姿态转换矩阵计算得到本体坐标系相对轨道坐标系的滚动角和俯仰角；

[0115] 将本体坐标系相对轨道坐标系的滚动角和俯仰角，与地球敏感器测量的滚动角和俯仰角中对应角的差值作为对应角的补偿值，以根据补偿值得到光学敏感器补偿系数的拟合值

[0116] 可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定装置的具体限定。在本发明的另一些实施例中，一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定装置可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或者软件和硬件的组合来实现。

[0117] 上述装置内的各模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

[0118] 本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本发明任一实施例中的一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法。

[0119] 本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例中的一种基于融合信息的高轨卫星自主轨道确定方法。

[0120] 具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机（或CPU或MPU）读出并执行存储在存储介质中的程序代码。

[0121] 在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。

[0122] 用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘（如CD‑ROM、CD‑R、CD‑RW、DVD‑ROM、DVD‑RAM、DVD‑RW、DVD+RW）、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。

[0123] 此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。

[0124] 此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展模块中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展模块上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。

[0125] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

[0126] 本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

[0127] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。