CN111427071B - 一种星载计算机导航滤波的时钟维护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种星载计算机导航滤波的时钟维护方法，针对入卫星平台中1553B总线上不同单机之间的时钟不同步、数据频率与星载计算机计算周期不一致的情况，通过维护导航滤波的时间轴、构造导航测量数据接入***的保护机制，保证导航滤波算法的平稳有效。该方法能够克服GNSS测量数据时间戳的跳动或者错误数据、及数据无效或数据不更新现象。本发明相较直接使用GNSS测量数据进行轨道确定，导航滤波算法的轨道输出结果更加可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种星载计算机导航滤波的时钟维护方法。更特别地说，是一种针卫星平台中1553B总线上不同单机之间的时钟不同步、数据频率与计算周期不一致的情况，通过维护导航滤波的时间轴、构造导航测量数据接入***的保护机制。该方法能够克服GNSS测量数据时间戳的跳动或者错误数据、及数据无效或数据不更新现象，能使导航滤波算法的轨道输出结果更加稳定。星载计算机导航滤波的时钟维护方法，属于航天器工程技术应用领域。
背景技术
近地轨道的在轨卫星，其自主轨道确定主要依靠GNSS接收机的定位测量数据。在卫星平台中，GNSS接收机和星载计算机同处于1553B总线之上，接受卫星综合电子***的调度进行数据传递。GNSS接收机输出给星载计算机的测量数据，存在时间戳的跳动或者错误数据、及数据无效或数据不更新现象，需要星载计算机设计导航滤波的时钟维护方法来确保轨道确定结果的平稳有效性。具体来说，星载计算机的计算周期种类较多，较为常见的是0.5秒；GNSS接收机的测量数据更新频率较常见的为1Hz，与星载计算机计算周期不匹配。目前，对于星载计算机导航滤波的时钟维护方法，尚未有公开的专利或论文等研究成果。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供了一种星载计算机导航滤波的时钟维护方法。该方法能够克服GNSS接收机输出给星载计算机的测量数据存在时间戳的跳动或者错误数据、及数据无效或数据不更新现象，对轨道确定结果造成的不良影响。所设计的星载计算机导航滤波的时钟维护方法，能够有效提高星载计算机轨道确定结果的稳定性。
本方案的技术解决方案是：一种星载计算机导航滤波的时钟维护方法，步骤如下：
1)针对星载GNSS接收机的GNSS测量数据，进行有效性判断；
2)根据GNSS测量数据的有效性状态，进行数据更新状态的维护；
3)根据GNSS测量数据的时间戳，进行滤波时间轴的维护，并输出导航滤波的轨道确定结果。
所述步骤(1)中数据有效性判断具有三条逻辑判据1a)、1b)和1c)，若三条逻辑判据同时满足，GNSS接收机数据有效，置标志位Flag＝1；否则置Flag＝0；其中，
1a)判断GNSS接收机测试数据定位标志，“定位标志”解析为有效时，判定接收机数据“满足可用要求”；定位标志为其它值时判定接收机数据“不可用”；
1b)判断GNSS测量数据的有效标志位、轨道数据是否符合轨道特性；剔除错误测量数据；
1c)GNSS测量数据的时间戳与星载计算机时间差的值小于20秒，测量数据“满足可用要求”，否则为“不可用”数据。
所述轨道数据符合轨道特性，需要满足阈值判断公式，具体如下：
6.79×106m≤||r||≤7.05×106m
并且
7.46×103m/s≤||v||≤7.75×103m/s
其中x,y,z为GNSS接收机测量的地固系下三轴位置数据，vx,vy,vz为GNSS接收机测量的地固系下三轴速度数据。
所述步骤(2)中数据更新状态的维护的具体过程为：
2a)为了保证滤波算法的状态连续性，建立计数器：数据不更新计数器tn、数据更新计数器ty、数据不可用计数器t，三个计数器的默认初值均为零；
2b)每置Flag＝1时，累加数据更新计数器ty、数据不更新计数器tn清零；当tn大于10时，数据不可用计数器t清零；
2c)每置Flag＝0时，累加数据不更新计数器tn和数据不可用计数器t；当tn大于10时，累加数据更新计数器ty清零；
2d)当数据不可用计数器t未超阈值，则进行基于GNSS数据的间歇式卡尔曼导航滤波计算；当数据不可用计数器t超出阈值，则导航退出滤波计算，自主轨道确定退到备份方案；
2e)在备份方案状态下，数据更新计数器ty大于10，GNSS导航重启。
所述步骤(3)中滤波时间轴的维护的具体过程为：
3a)轨道导航的滤波时刻以GNSS测量数据的时间戳为基准；
3b)星载计算机的计算周期为0.5s，GNSS测量数据的时间间隔为1s，在没有测量数据的计算周期内，滤波时刻为前一拍的滤波时刻加上星载计算机计算周期0.5s，进行卡尔曼间歇式递推滤波；
3c)当GNSS测量数据长期不更新时，滤波时刻为前序的有效时刻基础之上，以星载计算机计算周期0.5s为节拍进行累加，并进行卡尔曼间歇式递推滤波；
3d)将每个滤波节拍下，卡尔曼间歇式递推滤波计算得到的轨道根数进行时间补偿，与星载计算机的计算时刻一致。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)轨道测量数据有效性判断，对数据有效性的多重诊断。针对1553B总线上的不同单机，星载计算机在进行导航数据应用时，对GNSS接收机数据进行标志位、轨道特性符合性、时间偏差这三个条件的“逻辑且”判定，完成GNSS接收机数据的有效性诊断，剔除无效数据；
2)轨道测量数据更新状态维护，针对1553B总线上的不同单机时钟，特别的讲作为星载计算机计算周期频率和GNSS接收机数据频率不一致，设计了三类计数器，用以确定当前滤波节拍下的GNSS接收机数据更新状态；
3)滤波时间轴维护，针对星载计算机计算周期频率(0.5s周期)和GNSS接收机数据频率(1s周期)不一致，设计卡尔曼间歇式递推滤波结构和输出结果时间补偿，使得固有的频率偏差不影响星载计算机的导航数据应用。目前，尚未有公开的专利或论文等研究成果。
附图说明
图1是本发明所涉及的卫星平台中单机接入关系。
图2是本发明所涉及的星载计算机周期和GNSS接收机数据频率。
图3是本发明提供的数据更新状态的判断逻辑。
具体实施方式
1)轨道测量数据有效性判断
步骤(1)中数据有效性判断的具有三条逻辑判据1a)、1b)和1c)，若三条逻辑判据同时满足，GNSS接收机数据有效，置标志位Flag＝1；否则置Flag＝0。
1a)判断GNSS接收机测试数据定位标志，“定位标志”解析为有效时，判定接收机数据“满足可用要求”；定位标志为其它值时判定接收机数据“不可用”。
1b)判断GNSS测量数据的有效标志位、轨道数据是否符合轨道特性；剔除错误测量数据。轨道数据符合轨道特性需，要“满足阈值判断公式”如下
6.79×106m≤||r||≤7.05×106m
并且
7.46×103m/s≤||v||≤7.75×103m/s
其中x,y,z为GNSS接收机测量的地固系下三轴位置数据，vx,vy,vz为GNSS接收机测量的地固系下三轴速度数据。上述不等式两边的常值边界，可以根据不同轨道高度进行灵活设置。
1c)GNSS测量数据的时间戳与星载计算机时间差的值小于20秒，测量数据“满足可用要求”，否则为“不可用”数据。
2)轨道测量数据更新状态维护
由于星载计算机计算周期为0.5s，与GNSS测量数据更新频率1Hz不匹配，会出现星载计算机采集到的GNSS测量数据有效标志Flag出现Flag＝1和Flag＝0的交替出现。星载计算机和GNSS接收机在1553B总线上的接入关系如图1所示，星载计算机和GNSS接收机的数据频率特性如图2所示。
2a)为了保证滤波算法的状态连续性，建立计数器：数据不更新计数器tn、数据更新计数器ty、数据不可用计数器t，三个计数器的默认初值均为零；
2b)每置Flag＝1时，累加数据更新计数器ty、数据不更新计数器tn清零。当ty大于10时，数据不可用计数器t清零；
2c)每置Flag＝0时，累加数据不更新计数器tn和数据不可用计数器t。当tn大于10时，累加数据更新计数器ty清零；
2d)当数据不可用计数器t未超阈值，则进行基于GNSS数据的导航滤波计算；数据不可用计数器t超出阈值，则导航退出滤波计算，自主轨道确定退到备份方案；
2e)在备份方案状态下，数据更新计数器ty大于10，GNSS导航重启。
上述计数器赋值与数据更新状态的运算逻辑流程如图3所示。
3)滤波时间轴维护
3a)轨道导航的滤波时刻以GNSS测量数据的时间戳为基准。
3b)星载计算机的计算周期为0.5s，GNSS测量数据的时间间隔为1s，在没有测量数据的计算周期内，滤波时刻为前一拍的滤波时刻加上星载计算机计算周期0.5s；
3c)当GNSS测量数据长期不更新时，滤波时刻为前序的有效时刻基础之上，以星载计算机计算周期0.5s为节拍进行累加；
3d)将每个滤波节拍下，卡尔曼间歇式递推滤波计算得到的轨道根数进行时间补偿，与星载计算机的计算时刻一致，在1553B总线上广播相应的轨道确定结果。
Claims (1)
1.一种星载计算机导航滤波的时钟维护方法，其特征在于步骤如下：
1)针对星载GNSS接收机的GNSS测量数据，进行有效性判断；
2)根据GNSS测量数据的有效性状态，进行数据更新状态的维护；
3)根据GNSS测量数据的时间戳，进行滤波时间轴的维护，并输出导航滤波的轨道确定结果；
所述步骤(1)中数据有效性判断具有三条逻辑判据1a)、1b)和1c)，若三条逻辑判据同时满足，GNSS接收机数据有效，置标志位Flag＝1；否则置Flag＝0；其中，
1a)判断GNSS接收机测试数据定位标志，“定位标志”解析为有效时，判定接收机数据“满足可用要求”；定位标志为其它值时判定接收机数据“不可用”；
1b)判断GNSS测量数据的有效标志位、轨道数据是否符合轨道特性；剔除错误测量数据；
1c)GNSS测量数据的时间戳与星载计算机时间差的值小于20秒，测量数据“满足可用要求”，否则为“不可用”数据；
所述轨道数据符合轨道特性，需要满足阈值判断公式，具体如下：
6.79×106m≤||r||≤7.05×106m
并且
7.46×103m/s≤||v||≤7.75×103m/s
其中x,y,z为GNSS接收机测量的地固系下三轴位置数据，vx,vy,vz为GNSS接收机测量的地固系下三轴速度数据；
所述步骤(2)中数据更新状态的维护的具体过程为：
2a)为了保证滤波算法的状态连续性，建立计数器：数据不更新计数器tn、数据更新计数器ty、数据不可用计数器t，三个计数器的默认初值均为零；
2b)每置Flag＝1时，累加数据更新计数器ty、数据不更新计数器tn清零；当tn大于10时，数据不可用计数器t清零；
2c)每置Flag＝0时，累加数据不更新计数器tn和数据不可用计数器t；当tn大于10时，累加数据更新计数器ty清零；
2d)当数据不可用计数器t未超阈值，则进行基于GNSS数据的间歇式卡尔曼导航滤波计算；当数据不可用计数器t超出阈值，则导航退出滤波计算，自主轨道确定退到备份方案；
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所述步骤(3)中滤波时间轴的维护的具体过程为：
3a)轨道导航的滤波时刻以GNSS测量数据的时间戳为基准；
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