自适应测量噪声调整的GNSS定轨方法及系统与流程

本发明涉及卫星应用，尤其涉及一种自适应测量噪声调整的gnss定轨方法及系统。

背景技术：

1、航天器自主定轨指的是利用所带设备实时的测定自身位置，不依赖地面支持。航天器自主定轨技术的应用，不仅可以降低对地面人力、物力和设备的依赖，更重要的是当地面系统的不可用时，可以保障航天器具备较强的生存能力，对于提升任务自主管理能力具有非常重要的意义。

2、航天器gnss(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)自主定轨方法通过gnss观测量与轨道动力学模型来进行实时定轨滤波，提高航天器的位置和速度测量精度。航天器在飞行过程中，除了受到地球引力、地球非球形引力、日月二体引力、太阳光压力和固体潮汐等保守力影响外，还会受到太阳光压、大气阻力等非保守力影响。因此，针对高精度自主定轨需求，除了建立准确、合理的系统模型外，合理的估计观测量噪声，具有重要的研究意义。

3、在航天器工作环境下，gnss接收机受接收天线增益变化以及导航信号自由空间传播损耗等因素影响，接收到的不同导航卫星信号功率差异较大，导致gnss观测量噪声存在变化。因此，如何使得定轨滤波器中的噪声协方差矩阵更准确地接近实际测量噪声，是现有gnss定轨方法所面临的难题，而现有技术并未提供相应的解决方案。

4、因此，亟需一种能够使定轨滤波器中的噪声协方差矩阵更准确地接近实际测量噪声，以提高gnss定轨精度的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自适应测量噪声调整的gnss定轨方法及系统，使测量噪声更准确地接近实际测量噪声，提高航天器自主定轨滤波精度和稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，包括步骤：

3、s1、设置滤波器状态和滤波参数初值；

4、s2、根据卫星运动方程、动力学模型、接收时钟、大气阻力和光压，计算第一观测时刻的滤波器的状态转移矩阵；

5、s3、通过所述状态转移矩阵，对所述第一观测时刻的第一状态量和第一协方差进行一步预报，得到第二观测时刻的状态量预测值和协方差预测值；其中，所述第一观测时刻为与所述第二观测时刻对应的前一观测时刻；

6、s4、根据所述状态量预测值、所述协方差预测值、观测矩阵以及所述第二观测时刻的观测量，计算所述第二观测时刻的自适应调整的观测量噪声值，并基于所述观测量噪声值计算滤波器增益；

7、s5、根据所述观测量、所述观测矩阵、所述状态量预测值、所述滤波器增益以及所述协方差预测值，进行滤波器时间更新，以获得更新后的所述第二观测时刻的第二状态量和第二协方差；

8、s6、根据从所述第二状态量中获取的卫星位置和速度，以确定卫星轨道。

9、进一步的，所述步骤s6之后，还包括：

10、将所述第二观测时刻更新为新的第一观测时刻，并返回重复执行步骤s1～s6，以分析下一观测时刻的定轨数据。

11、进一步的，所述卫星运动方程为：

12、

13、其中，r和v分别为三维的卫星位置和速度向量；am(r,v,t)为基于数学模型描述的加速度；w(t)表示全体难以准确模型化的加速度；

14、所述状态转移矩阵φ(k-1,k)基于以下公式计算：

15、

16、其中，b为接收机钟差和频差自身的转移矩阵，为卫星状态关于大气阻力系数的偏导数，为卫星状态关于太阳光压系数的偏导数，k-1表示所述第一观测时刻，k表示所述第二观测时刻。

17、进一步的，所述第二观测时刻的状态量预测值和协方差预测值基于以下公式计算：

18、

19、其中，为所述状态量预测值，为所述协方差预测值，φk-1,k为所述状态转移矩阵，qk-1为所述第一观测时刻的过程噪声矩阵，为所述第一观测时刻的所述第一协方差，xk-1为所述第一观测时刻的所述第一状态量。

20、进一步的，所述根据所述状态量预测值、所述协方差预测值、观测矩阵以及所述第二观测时刻的观测量，计算所述第二观测时刻的自适应调整的观测量噪声值包括：

21、根据gnss接收机观测量的跟踪测量精度，设置gnss测量噪声；

22、根据所述gnss测量噪声和定轨滤波器参数，计算测量噪声调整因子；

23、根据所述测量噪声调整因子，计算自适应权系数；

24、将所述自适应权系数与所述gnss测量噪声相乘，得到所述第二观测时刻的自适应调整的观测量噪声值。

25、进一步的，所述自适应权系数基于以下公式计算：

26、

27、其中，ω为所述自适应权系数，参数w0和w1分别取值为1和4，δz,k为所述测量噪声调整因子。

28、进一步的，所述测量噪声调整因子基于以下公式计算：

29、

30、其中，hk为所述观测矩阵，为所述协方差预测值，rc为所述gnss测量噪声，zk为所述第二观测时刻的观测量，为根据所述状态量预测值中接收机位置和导航位置计算的观测量估计值。

31、进一步的，所述滤波器增益基于以下公式计算：

32、

33、其中，kk为所述滤波器增益，为所述协方差预测值，hk为所述观测矩阵，rk为所述观测量噪声值。

34、进一步的，所述第二状态量和所述第二协方差基于以下公式计算：

35、

36、其中，xk为所述第二状态量，为所述第二协方差，zk为所述第二观测时刻的观测量，为所述状态量预测值。

37、基于同一发明构造，本发明还提供了一种自适应测量噪声调整的gnss定轨系统，所述系统用于实现上述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法。

38、本发明针对卫星高精度自主定轨需求，提出了一种自适应测量噪声调整的gnss定轨方法及系统，根据gnss接收机跟踪测量精度和定轨滤波器执行过程中参数，实时动态计算观测量噪声，实现自适应参数调整，使测量噪声更准确地接近实际测量噪声，有助于提高航天器自主定轨滤波精度和稳定性。同时，可在自适应权系数计算过程中，对观测噪声质量进行实时监控，当测量噪声调整因子过大，表明观测噪声过大，此时避免引入滤波器，从而有助于提高自主定轨滤波器的可靠性。

技术特征：

1.一种自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，所述步骤s6之后，还包括：

3.根据权利要求1所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，所述卫星运动方程为：

4.根据权利要求1所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，所述第二观测时刻的状态量预测值和协方差预测值基于以下公式计算：

5.根据权利要求1所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，所述根据所述状态量预测值、所述协方差预测值、观测矩阵以及所述第二观测时刻的观测量，计算所述第二观测时刻的自适应调整的观测量噪声值包括：

6.根据权利要求5所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，所述自适应权系数基于以下公式计算：

7.根据权利要求6所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，所述测量噪声调整因子基于以下公式计算：

8.根据权利要求1所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，所述滤波器增益基于以下公式计算：

9.根据权利要求8所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法，其特征在于，所述第二状态量和所述第二协方差基于以下公式计算：

10.一种自适应测量噪声调整的gnss定轨系统，其特征在于，所述系统用于实现如权利要求1～9任一项所述的自适应测量噪声调整的gnss定轨方法。

技术总结本发明提供了一种自适应测量噪声调整的GNSS定轨方法及系统，通过设置滤波器状态和滤波参数初值；根据卫星运动方程、动力学模型、接收时钟、大气阻力和光压，计算第一观测时刻的滤波器的状态转移矩阵；并基于状态转移矩阵进行一步预报，得到第二观测时刻的状态量预测值和协方差预测值；根据状态量预测值、协方差预测值、观测矩阵以及第二观测时刻的观测量，计算自适应调整的观测量噪声值和滤波器增益；根据观测量、观测矩阵、状态量预测值、增益以及协方差预测值，通过滤波器时间更新获得更新后的第二观测时刻的第二状态量和第二协方差；根据第二状态量中的卫星位置和速度，确定卫星轨道。如此，本发明能够提高航天器自主定轨滤波精度和稳定性。技术研发人员：李向宇,余谦,苏莹,方国文,王煊,李鹏昆,李铁,陈玲玲,周崇傲受保护的技术使用者：航天恒星科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2