高軌飛行器GNSS定位技術研究.pdf

1、隨著人類太空探索任務數(shù)量的逐年遞增，自主定位與導航將逐漸取代地面測控，成為航天飛行器在軌自主運行必不可少的功能。包括中國探月工程在內(nèi)的高軌與深空探測任務對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在高軌的應用提出迫切需求。相比日漸成熟的低軌飛行器GNSS定位技術，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定位中的技術問題，分析了高軌飛行器利用GNSS下行導航信號和星間鏈路信號定

2、位的性能并對其進行了優(yōu)化設計，研究了北斗衛(wèi)星利用其它GNSS系統(tǒng)完成應急定位的可行性并對星載接收天線進行優(yōu)化設計，探索了GNSS下行導航信號與星間鏈路信號的聯(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環(huán)境，評估了GNSS多星座組合時，環(huán)月飛行器接收GNSS主瓣、旁瓣信號的可用性。通過可見衛(wèi)星數(shù)、接收信號載噪比、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)星導航系統(tǒng)（伽利略）”以及它們的各種組合實現(xiàn)定位的可行性。證明了使用全向天線接收四大GNSS系統(tǒng)下行導航信號的主瓣、旁瓣信號時均無法完成定位；使用定向天線提高接收增益使得旁瓣信號可用后，至少需要三個GNSS系統(tǒng)聯(lián)合，才能實現(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)合的接收機設計提供理論參考。
　　(2)為解決GNSS的下行導航信號為探月飛行器定位時載噪比過低的問題，提出利用GNSS的星間鏈路信號為高軌飛行器定位的方法。以加權距離均方誤差最小為優(yōu)化目標，對探月飛行器和導航衛(wèi)星接收星間鏈路信號的性能進行聯(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航衛(wèi)星寬波束星間鏈路模式，并設計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：所設計的星間鏈路實現(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。仿真計算與實測數(shù)據(jù)的對比證明探月飛行器利用該模式星間信號定位的性能優(yōu)于接收GNSS下行導航信號定位的性能。
　　(3)為實現(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)的下行導航信號進行定位的方法。分析了接收信號的多普勒頻移、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。同時以幾何距離

6、均方誤差最小為優(yōu)化目標，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接收機接收其民用信號的能力；獲得三種軌道上接收性能最優(yōu)的天線參數(shù)，并設計了相應的接收天線方向圖，為北斗衛(wèi)星應急定位的星載接收機設計提供參考。
　　(4)論文利用高軌飛行器同時接收GNSS下行導航信號和星間鏈路信號的有利條件，分別提出了“GNSS的星間強信號輔助下行弱信號的矢量環(huán)聯(lián)合跟蹤算法及改進的無偏跟蹤算法”、“GNSS的下行導航

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