利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的系統(tǒng)，包括：導(dǎo)航接收機、天線、自旋衛(wèi)星以及導(dǎo)航衛(wèi)星；其中，所述導(dǎo)航接收機設(shè)置在所述自旋衛(wèi)星的星體內(nèi)部；所述天線設(shè)置在自旋衛(wèi)星的星體頂面且設(shè)置的自旋衛(wèi)星自旋主軸的側(cè)面；所述自旋衛(wèi)星通過導(dǎo)航接收機跟蹤好接收多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號。導(dǎo)航接收機采用可單獨或集成接收美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲伽利略和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號的星載導(dǎo)航設(shè)備。本發(fā)明還提供相應(yīng)的測量方法。本發(fā)明中利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)，僅需要一個天線就可對近地軌道高度低于20000km的自旋衛(wèi)星進行姿態(tài)確定，具有質(zhì)量輕、低能耗，以及避免整周模糊度計算等優(yōu)點。
【專利說明】利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天領(lǐng)域，具體地，涉及一種利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿 態(tài)的系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著小衛(wèi)星技術(shù)不斷發(fā)展與應(yīng)用，因其具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、發(fā)射靈活等 特點而受到很多國家的重視。采用全球定位系統(tǒng)對小衛(wèi)星進行姿態(tài)確定相比傳統(tǒng)采用星敏 感器、太陽敏感器、地球地平敏感器等姿態(tài)測量原件的方法，具有質(zhì)量輕、精度高、連續(xù)性、 誤差不隨時間積累等特點。我國某"十二五"背景型號項目論證中包括兩顆微小自旋衛(wèi)星， 若利用傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機方法對其定姿，通過測量各個天線對間的基線在參考坐標系中的向 量來表示衛(wèi)星本體相對于參考坐標系的姿態(tài)，則至少需要3個天線并跟蹤2顆導(dǎo)航衛(wèi)星。而 且，采用該方法不但需要求解載波相位整周模糊度，而且對多顆衛(wèi)星進行信號接收，需要多 通道處理。而較多的通道對接收機硬件提出了更高的要求，從而增加了衛(wèi)星的重量和功耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于研究一種新的利用導(dǎo)航敏感器對自旋 衛(wèi)星姿態(tài)進行確定的方法，以減少天線的數(shù)量，降低導(dǎo)航接收機的技術(shù)復(fù)雜度，從而降低對 衛(wèi)星質(zhì)量和功耗資源的需求。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面提供的利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的系統(tǒng)， 包括：導(dǎo)航接收機、天線、自旋衛(wèi)星以及導(dǎo)航衛(wèi)星；
[0005] 其中，所述導(dǎo)航接收機設(shè)置在所述自旋衛(wèi)星的星體內(nèi)部且電氣連接所述天線；所 述天線設(shè)置在自旋衛(wèi)星的星體頂面且設(shè)置在自旋衛(wèi)星自旋主軸的側(cè)面；所述自旋衛(wèi)星通過 導(dǎo)航接收機跟蹤和接收多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號。
[0006] 優(yōu)選地，導(dǎo)航接收機采用能夠單獨或集成接收美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲伽 利略和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號的星載導(dǎo)航設(shè)備。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面提供的一種利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài) 的系統(tǒng)測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1 :建立本體坐標系；
[0009] 步驟2 :在本體坐標系中計算天線到導(dǎo)航衛(wèi)星的距離p as ;
[0010] 步驟3 :計算天線接收到信號的相位Φεα);
[0011] 步驟4 :建立離散載波相位模型并計算載波相位差yn ;
[0012] 步驟5 :聯(lián)立pas、(^(t)和7"計算出本體坐標系下自旋衛(wèi)星指向?qū)Ш叫l(wèi)星矢量廠 的角度9s和角度￥s。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟1包括如下步驟：
[0014] -以衛(wèi)星自旋軸的方向為zb軸，垂直于zb軸的自旋衛(wèi)星表面作為xby b平面，并在 其中定義相互垂直的xb和yb軸。
[0015] 優(yōu)選地，在本體坐標系中天線到導(dǎo)航衛(wèi)星的距離P as為：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的系統(tǒng)，其特征在于，包括：導(dǎo)航接 收機、天線、自旋衛(wèi)星以及導(dǎo)航衛(wèi)星； 其中，所述導(dǎo)航接收機設(shè)置在所述自旋衛(wèi)星的星體內(nèi)部且電氣連接所述天線；所述天 線設(shè)置在自旋衛(wèi)星的星體頂面且設(shè)置在自旋衛(wèi)星自旋主軸的側(cè)面；所述自旋衛(wèi)星通過導(dǎo)航 接收機跟蹤和接收多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的系統(tǒng)，其特征在 于，導(dǎo)航接收機采用能夠單獨或集成接收美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲伽利略和中國北 斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號的星載導(dǎo)航設(shè)備。
3. -種使用權(quán)利要求1或2所述的利用單天線導(dǎo)航接收機測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的系統(tǒng)測 量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1 :建立本體坐標系； 步驟2 :在本體坐標系中計算天線到導(dǎo)航衛(wèi)星的距離p as ; 步驟3:計算天線接收到信號的相位c^(t); 步驟4 :建立離散載波相位模型并計算載波相位差yn ; 步驟5 :聯(lián)立Pas、c^(t)和7"計算出本體坐標系下自旋衛(wèi)星指向?qū)Ш叫l(wèi)星矢量ξ的角 度9s和角度￥s。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的方法，其特征在于，所述步驟1包括如下 步驟： -以衛(wèi)星自旋軸的方向為zb軸，垂直于zb軸的自旋衛(wèi)星表面作為xby b平面，并在其中 定義相互垂直的xb和yb軸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的方法，其特征在于，在本體坐標系中 天線到導(dǎo)航衛(wèi)星的距離P as為：
其中，Ps為自旋衛(wèi)星到導(dǎo)航衛(wèi)星的距離，ra為天線的安裝半徑，為自旋衛(wèi)星的自旋 角速度，va為天線與本體坐標系xb軸的夾角，vs為赤道慣性坐標系中矢量平面 內(nèi)的投影與X b軸的夾角，Θ s為矢量rs和Xbyb平面的夾角，t為數(shù)據(jù)接收時間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的方法，其特征在于，所述步驟3包括如下 步驟： 步驟3. 1 :由于（ra/ps) << 1，則天線接收到的信號相位Φεα)表示為：
其中，ω。是信號傳播的頻率，c為光速，pas(t)為接收機天線到導(dǎo)航衛(wèi)星的距離， constant為接收機天線與導(dǎo)航衛(wèi)星非徑向相對運動產(chǎn)生的相位差的總和，Φ_ρα)是導(dǎo)航 接收機、天線和導(dǎo)航衛(wèi)星之間相對運動產(chǎn)生的多普勒頻率形成的相位值； 步驟3. 2 :將⑴式代入⑵式得到：

其中，Φ_α)為自旋衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星相對運動形成的多普勒相位； xccos (ω at+ ￥a) +xssin (ω at+ ￥a)為由天線繞自旋衛(wèi)星主軸自旋運動產(chǎn)生的多普勒相位,xc 和xs為自旋衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星由于旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生多普勒頻率沿角度方向分解的兩個系數(shù)； 步驟3. 3 :通過（4)、（5)式計算出矢量rs的角度Θ s和Vs的計算式：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的方法，其特征在于，所述步驟4包括如下 步驟： 步驟4. 1 :設(shè)導(dǎo)航接收機產(chǎn)生的偽隨機噪聲碼環(huán)開始和結(jié)束在時間節(jié)點...... tn的載波相位模型為：
其中，時間間隔Atw = ，頻率為從到tn內(nèi)導(dǎo)航接收機估計載波相 位的變化率，狀態(tài)量Χρ = Φ to-Φ ω at為自旋衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星整體相對運動產(chǎn)生的多普 勒相位與載波NC0估計值的差值加上自旋運動產(chǎn)生的載波相位的累加，狀態(tài)量X,. =0# +? 為自旋衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星相對運動多普勒頻率加上自旋衛(wèi)星的自旋角速度；狀態(tài)量4,.為 自旋衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星相對運動多普勒頻率的變化率，Wn為隨機噪聲；彡#為自旋衛(wèi)星與導(dǎo)航 衛(wèi)星相對運動多普勒頻率，I為自旋衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星相對運動多普勒頻率的變化率； 步驟4. 2 :計算載波相位差，具體為，由導(dǎo)航接收機中的載波環(huán)鑒別器輸出的載波相位 差yn表不為： yn = -arctan2 (Qn, In) (10) 其中，1"為導(dǎo)航接收機的延遲鎖定環(huán)路的同相信號，0"為導(dǎo)航接收機的延遲鎖定環(huán)路 的正交信號； 對于自旋衛(wèi)星，在導(dǎo)航接收機的跟蹤環(huán)路鎖定狀態(tài)下，從tn_i時刻到、時刻的平均載波 相位差yn表示為：
其中，xp(t)為自旋衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星整體相對運動產(chǎn)生的多普勒相位與載波NC0估計值 的差值加上自旋運動產(chǎn)生的載波相位的累加值隨時間的變化；Xc;(t)和\(〇為自旋衛(wèi)星與 導(dǎo)航衛(wèi)星由于旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生多普勒頻率沿角度方向分解的兩個系數(shù)隨時間的變化； 步驟4. 3 :將⑶式代入（10)式整理得：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量自旋衛(wèi)星姿態(tài)的方法，其特征在于，所述步驟5包括如下 步驟： 步驟5. 1 :從導(dǎo)航接收機的載波環(huán)鑒別器輸出端直接獲得在式（11)中載波相位差yn ; 步驟5. 2:根據(jù)步驟5.1中已知的7"通過式（8)和式（12)計算出參數(shù)X。和xs; 步驟5. 3 :根據(jù)參數(shù)X。和xs通過式（6)和（7)計算出在本體坐標系下表示自旋衛(wèi)星指 向?qū)Ш叫l(wèi)星矢量巧的角度93和vs。
【文檔編號】G01S19/54GK104252004SQ201410461977
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】王偉, 方寶東 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所