高軌飛行器GNSS定位技術(shù)研究.pdf

1、隨著人類太空探索任務(wù)數(shù)量的逐年遞增，自主定位與導(dǎo)航將逐漸取代地面測控，成為航天飛行器在軌自主運(yùn)行必不可少的功能。包括中國探月工程在內(nèi)的高軌與深空探測任務(wù)對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在高軌的應(yīng)用提出迫切需求。相比日漸成熟的低軌飛行器GNSS定位技術(shù)，高軌飛行器GNSS定位還存在著可見衛(wèi)星數(shù)少、幾何精度因子差、信號(hào)接收的載噪比低等不利因素。本文針對高軌飛行器GNSS定位中的技術(shù)問題，分析了高軌飛行器利用GNSS下行導(dǎo)航信號(hào)和星間鏈路信號(hào)定

2、位的性能并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了北斗衛(wèi)星利用其它GNSS系統(tǒng)完成應(yīng)急定位的可行性并對星載接收天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索了GNSS下行導(dǎo)航信號(hào)與星間鏈路信號(hào)的聯(lián)合接收算法并分析了信道非理想特性的影響。
　　(1)論文針對探月飛行器所在的高軌弱信號(hào)環(huán)境，評估了GNSS多星座組合時(shí)，環(huán)月飛行器接收GNSS主瓣、旁瓣信號(hào)的可用性。通過可見衛(wèi)星數(shù)、接收信號(hào)載噪比、幾何精度因子等參數(shù)，評估了環(huán)月飛行器使用“美國全球定位系統(tǒng)（GPS）”、“中國

3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗）”、“俄羅斯格洛納斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（格洛納斯）”和“歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（伽利略）”以及它們的各種組合實(shí)現(xiàn)定位的可行性。證明了使用全向天線接收四大GNSS系統(tǒng)下行導(dǎo)航信號(hào)的主瓣、旁瓣信號(hào)時(shí)均無法完成定位；使用定向天線提高接收增益使得旁瓣信號(hào)可用后，至少需要三個(gè)GNSS系統(tǒng)聯(lián)合，才能實(shí)現(xiàn)飛行器全程定位。三系統(tǒng)組合中，GPS、北斗和伽利略系統(tǒng)組合的幾何精度因子最優(yōu)，四系統(tǒng)組合的幾何精度因子可改善16.93％。研究

4、成果為高軌飛行器多系統(tǒng)聯(lián)合的接收機(jī)設(shè)計(jì)提供理論參考。
　　(2)為解決GNSS的下行導(dǎo)航信號(hào)為探月飛行器定位時(shí)載噪比過低的問題，提出利用GNSS的星間鏈路信號(hào)為高軌飛行器定位的方法。以加權(quán)距離均方誤差最小為優(yōu)化目標(biāo)，對探月飛行器和導(dǎo)航衛(wèi)星接收星間鏈路信號(hào)的性能進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。提出一種兼顧探月飛行器定位與衛(wèi)星星間通信測距的導(dǎo)航衛(wèi)星寬波束星間鏈路模式，并設(shè)計(jì)了與之相匹配的星間鏈路環(huán)波束發(fā)射天線。對比分析結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的星間鏈路實(shí)現(xiàn)了支

5、持探月飛行器從GNSS衛(wèi)星軌道高度到月球軌道高度的定位與衛(wèi)星星間測距通信的功能。仿真計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比證明探月飛行器利用該模式星間信號(hào)定位的性能優(yōu)于接收GNSS下行導(dǎo)航信號(hào)定位的性能。
　　(3)為實(shí)現(xiàn)北斗系中、高軌衛(wèi)星在星地通訊中斷情況下的自主定位，提出北斗衛(wèi)星利用GPS和格洛納斯系統(tǒng)的下行導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行定位的方法。分析了接收信號(hào)的多普勒頻移、多普勒頻移變化率、通道隔離與帶外抑制、可見衛(wèi)星數(shù)、載噪比、幾何精度因子。同時(shí)以幾何距離

6、均方誤差最小為優(yōu)化目標(biāo)，分析了中地球軌道、地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道上的北斗衛(wèi)星利用星載GNSS接收機(jī)接收其民用信號(hào)的能力；獲得三種軌道上接收性能最優(yōu)的天線參數(shù)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接收天線方向圖，為北斗衛(wèi)星應(yīng)急定位的星載接收機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。
　　(4)論文利用高軌飛行器同時(shí)接收GNSS下行導(dǎo)航信號(hào)和星間鏈路信號(hào)的有利條件，分別提出了“GNSS的星間強(qiáng)信號(hào)輔助下行弱信號(hào)的矢量環(huán)聯(lián)合跟蹤算法及改進(jìn)的無偏跟蹤算法”、“GNSS的下行導(dǎo)航

7、信號(hào)與星間鏈路信號(hào)聯(lián)合的快速定位算法”。前者通過強(qiáng)信號(hào)輔助解決了高軌GNSS弱信號(hào)接收時(shí)矢量延遲鎖定環(huán)路時(shí)跟蹤抖動(dòng)大的問題，通過 GNSS下行導(dǎo)航信號(hào)和星間鏈路信號(hào)的系數(shù)加權(quán)消除了傳統(tǒng)矢量延遲鎖定環(huán)的跟蹤偏差；后者解決了高軌GNSS信號(hào)條件下首次定位時(shí)間過長的問題，將定位時(shí)間縮短為正常情況的1/6。另外，針對北斗衛(wèi)星利用GNSS信號(hào)定位的高精度應(yīng)用，分析了冪方型和余弦型信道非理想特性導(dǎo)致BOC和BPSK調(diào)制的估計(jì)精度損耗，提出了高精度信