衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在高軌自主導(dǎo)航中的應(yīng)用

· 文 | 航天恒星科技有限公司 王盾 王猛

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在高軌自主導(dǎo)航中的應(yīng)用

· 文 | 航天恒星科技有限公司 王盾 王猛

針對高軌“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GNSS）接收機遠(yuǎn)距離接收地球?qū)γ媛?dǎo)航信號，信號功率衰減嚴(yán)重，旁瓣信號難以接收的技術(shù)難題，突破了高靈敏度接收技術(shù)、GNSS自主定軌等多項關(guān)鍵技術(shù)，在月地轉(zhuǎn)移軌道上成功實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離漏導(dǎo)航衛(wèi)星接收機，為地面測定軌提供一種自主的、實時的、有效的技術(shù)手段。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在探月返回任務(wù)中的應(yīng)用，探索了衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用新領(lǐng)域，具有重大工程意義和應(yīng)用前景。

一、前言

2014年10月24日，探月三期再入返回飛行試驗器成功進入軌道。11月1日，飛行試驗器中返回器與服務(wù)艙分離后，采用半彈道跳躍式飛行方式，經(jīng)過兩次再入大氣層后，成功著陸于內(nèi)蒙古四子王旗并安全回收，開傘精度509m，落點精度2.92km，飛行試驗取得圓滿成功，成為我國首次地外航天器跳躍半彈道再入式返回，為2017年我國探月工程三期嫦娥-5探測器月壤采樣返回奠定了堅實的基礎(chǔ)。

本次探月飛行試驗器主要由服務(wù)艙和返回器兩部分組成，服務(wù)艙作為服務(wù)平臺攜帶返回器采用繞月自由返回軌道飛行。期間為返回器提供結(jié)構(gòu)支撐、電源供給、測控通信、姿態(tài)與軌道控制等服務(wù)功能，為與服務(wù)艙分離后的返回器提供高精度再入軌道和姿態(tài)參數(shù)。當(dāng)前服務(wù)艙測定軌手段依賴地面測控系統(tǒng)和甚長基線干涉測量（VLBI），此兩種手段需要使用境外測控站以及國際站間實時數(shù)據(jù)傳輸，且返回軌道調(diào)整機動對測定軌影響較大。因此，在月地轉(zhuǎn)移軌道上使用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，服務(wù)艙中搭載GNSS導(dǎo)航接收機，國際上首次實現(xiàn)了月地轉(zhuǎn)移軌道的漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號遠(yuǎn)距離接收與處理，在深空返回軌道成功自主導(dǎo)航定位，位置精度優(yōu)于100m。速度精度優(yōu)于0.05m/s，為飛行器提供準(zhǔn)確的軌道信息參考。飛行試驗器飛行軌道如圖1所示。

圖1　探月三期飛行試驗器飛行軌道

二、高軌自主導(dǎo)航中的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)及應(yīng)用特點

1.漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收技術(shù)

漏導(dǎo)航衛(wèi)星接收機，即所處軌道高度高于導(dǎo)航衛(wèi)星，僅利用地球方向未被遮擋的導(dǎo)航信號進行導(dǎo)航定位服務(wù)的設(shè)備。

在普遍的地面用戶或低地球軌道（LEO）中，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機可見的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)目較多，信號觀測條件好，導(dǎo)航定位精度高。在本次探月飛行試驗任務(wù)中，服務(wù)艙使用的GNSS導(dǎo)航接收機所處軌道大部分時間高于導(dǎo)航衛(wèi)星軌道，此時接收機無法接收端頂對天面導(dǎo)航信號，只能收到地球方向的導(dǎo)航信號。由于導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射天線指向地心，主瓣信號大部分被地球遮擋，服務(wù)艙中GNSS接收機若僅僅接收機主瓣信號，導(dǎo)航星數(shù)無法滿足導(dǎo)航定位星需求。因此，本次探月任務(wù)中GNSS接收機首次采用了遠(yuǎn)距離漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收技術(shù)，具備導(dǎo)航衛(wèi)星旁瓣信號接收能力，大大提高能夠接收導(dǎo)航星數(shù)，改善幾何分布，幾何關(guān)系圖如圖2所示。

圖2　漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收幾何關(guān)系圖

目前，“全球定位系統(tǒng)”（GPS）和“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）為可實現(xiàn)全球?qū)Ш礁采w的兩大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為增加可用導(dǎo)航星數(shù)量，服務(wù)艙導(dǎo)航接收機采用GPS和GLONASS兼容方式，同時接收GPS和GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)的漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號，增加總的導(dǎo)航可用星數(shù)，顯著提高定位精度和連續(xù)性。

2.高軌道衛(wèi)星高靈敏度接收技術(shù)

探月服務(wù)艙GNSS接收機運行高度遠(yuǎn)高于導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度，這使得GNSS應(yīng)用場景與傳統(tǒng)低軌和地面應(yīng)用場景大大不同，遠(yuǎn)距離導(dǎo)航信號接收導(dǎo)致信號功率衰減嚴(yán)重。本次任務(wù)導(dǎo)航接收機工作在幾萬千米的轉(zhuǎn)移軌道上，以40000km軌道為例，路徑衰減引起的接收信號功率與地面相比低10dB左右。由GPS導(dǎo)航發(fā)射天線增益方向圖可知，旁瓣信號比主瓣信號增益低10dB以上。

綜合上述影響因素，服務(wù)艙GNSS接收處理信號功率比地面場景低近20dB，且信號功率范圍大，強弱信號“互相關(guān)”效應(yīng)明顯。同時，探月飛行器此階段運行速度快，GNSS接收機設(shè)計上還面臨著大多普勒搜索范圍及導(dǎo)航星換星頻繁問題，動態(tài)性較高易造成跟蹤失鎖問題。

目前，高靈敏度接收技術(shù)已完成技術(shù)攻關(guān)和在軌飛行驗證，服務(wù)艙GNSS接收機成功解決了大多普勒搜索下范圍微弱導(dǎo)航信號快速接收機處理難題，突破了高靈敏度接收技術(shù)、微弱導(dǎo)航信號快速捕獲跟蹤技術(shù)、強弱信號互相關(guān)抑制技術(shù)，在幾何可觀性差、運行軌道動態(tài)性高等不利條件下實現(xiàn)高精度、自主的、連續(xù)的GNSS導(dǎo)航定位。

3. GNSS自主定軌技術(shù)

由于導(dǎo)航信號微弱導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)測量誤差大，導(dǎo)航星幾何分布不好，影響了導(dǎo)航定位精度。針對高精度測定軌需求，服務(wù)艙GNSS接收機采用了一種基于動力學(xué)模型補償?shù)目柭鼮V波自主定軌算法，利用GPS、GLONASS雙模導(dǎo)航系統(tǒng)的組合觀測信息進行實時軌道確定，以提高自主定軌精度。在本次任務(wù)具體實施過程中，針對自主定軌算法實現(xiàn)過程存在的問題，提出了一系列設(shè)計方法，具體內(nèi)容如下。

（1）雙天線相位中心聯(lián)合定軌技術(shù)

針對服務(wù)艙飛行軌道環(huán)境、姿態(tài)機動特點及導(dǎo)航信號接收特性，在服務(wù)艙±Z軸各安裝了一個接收機天線，將兩個天線接收的導(dǎo)航信號進行聯(lián)合解算，提高導(dǎo)航信號可觀度。雙天線觀測數(shù)據(jù)相位中心不一致，帶來了導(dǎo)航定軌解算觀測數(shù)據(jù)融合使用難題。

因此，GNSS自主定軌算法在利用偽距測量進行濾波測量更新過程中，將飛行器質(zhì)心下定軌濾波狀態(tài)量轉(zhuǎn)換到各觀測量對應(yīng)天線相位中心處。待狀態(tài)量更新完成后，再將各天線相位中心下表示的狀態(tài)量轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星質(zhì)心。通過對不同相位中心的偽距折算，實現(xiàn)雙天線模式下的定軌濾波測量更新。

（2）定軌算法分時處理技術(shù)

GNSS實時自主定軌算法復(fù)雜、計算量大，星上處理器計算資源緊張。為了在有限計算資源的條件下實現(xiàn)高精度實時定軌，在實施過程中使用分時處理的技術(shù)。分時處理技術(shù)基于以空間換時間的策略，系統(tǒng)需實時存儲上一時刻的分時計算結(jié)果，然后利用上一時刻的分時計算數(shù)據(jù)計算當(dāng)前時刻的分時計算結(jié)果，通過進行多步的分時計算，完成整個定軌濾波解算過程。

（3）高可靠的質(zhì)量控制技術(shù)

高軌道航天器接收信號微弱，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)測量誤差大。存在粗差的觀測數(shù)據(jù)在參與定軌解算后，既影響幾何學(xué)實時計算，又影響定軌濾波的精度和濾波穩(wěn)定性。因此，在實時自主定軌過程中，提出了高可靠的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)，具體實現(xiàn)方法如下：

1）采用基于同一歷元觀測數(shù)據(jù)鐘差一致性原理的預(yù)處理方法，通過識別并剔除粗差數(shù)據(jù)，提高自主定軌濾波算法的穩(wěn)定性。

2）采用濾波狀態(tài)備份恢復(fù)技術(shù)，在定軌濾波測量更新完成之后，通過檢測定軌濾波粗差，來決定是否更新當(dāng)前的濾波狀態(tài)，或直接將備份的上一濾波周期的濾波器狀態(tài)賦予當(dāng)前濾波器狀態(tài)。

三、導(dǎo)航接收機設(shè)計

針對探月三期飛行試驗器軌道特點以及導(dǎo)航信號接收特性，服務(wù)艙導(dǎo)航接收機使用雙天線接收模式，在服務(wù)艙±Z軸各安裝了一個接收機天線，保證導(dǎo)航信號全向接收，增大導(dǎo)航星可觀度。本次任務(wù)中GNSS漏導(dǎo)航信號接收系統(tǒng)由導(dǎo)航接收天線、前置放大器、導(dǎo)航接收機組成，如圖3所示。

圖3　漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)框圖

GNSS接收天線接收導(dǎo)航信號，通過前置放大器進行濾波和放大處理后送入導(dǎo)航接收機，把收到的模擬導(dǎo)航信號由L頻段變換到較低的中頻頻段上，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在數(shù)字域內(nèi)完成導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤和測量，得到原始偽距觀測量。在觀測量滿足定位的條件下完成定位解算，獲得定軌初值信息，然后啟動定軌濾波解算，得到最終的導(dǎo)航結(jié)果。

其中，GNSS接收機硬件包括多塊板卡組成，采用模塊化設(shè)計，內(nèi)部設(shè)計有內(nèi)部連接線，各個功能模塊通過內(nèi)部總線相連。采用此種板卡拼接式設(shè)計，可以方便實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，如圖4所示。

圖4　導(dǎo)航接收機結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝配圖

GNSS接收天線a安裝在服務(wù)艙下艙+Z+Y板的外表面（+Z面），與服務(wù)艙+Z軸指向一致，與+Z艙板上的其他天線軸心距離均大于850mm。GNSS接收天線b安裝在下艙-Z-Y板的外表面（-Z面），垂直于結(jié)構(gòu)板安裝，與服務(wù)艙-Z軸指向一致，與-Z艙板上的其他天線軸心距離均大于850mm。GNSS接收天線安裝示意圖如圖5所示。

圖5　GNSS接收天線安裝示意圖（左圖為天線b，右圖為天線a）

四、在軌數(shù)據(jù)分析

1.導(dǎo)航信號接收特性分析

國際標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC）2014年10月31日17：01：57，服務(wù)艙GNSS接收機在67372km軌道高度開機，3min35s后收到了第一顆GLONASS衛(wèi)星信號，并獲得導(dǎo)航星電文信息。在軌道高度66944km處，接收機完成時間系統(tǒng)初始化。在軌道高度66765km處，成功收到第一顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星。軌道高度61808 km處，第一次完成導(dǎo)航解算，并對外輸出導(dǎo)航位置速度結(jié)果。在北京時間11月1日18：09：04至10月31日21：56：31，接收機以1Hz數(shù)據(jù)更新速率連續(xù)輸出導(dǎo)航定位結(jié)果。本次在軌飛行試驗，成功實現(xiàn)了利用漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號高軌道航天器自主測定軌。

探月三期飛行試驗器按照計劃將進行6次軌道修正，由于在軌工作狀態(tài)正常，取消了第6次軌道修正，自第5次中途修正至10月31日21：48之前沒有軌道機動和調(diào)姿操作，該階段的飛行軌道非常穩(wěn)定。根據(jù)USB和VLBI測量數(shù)據(jù)，地面定軌系統(tǒng)通過多站聯(lián)合精度評估，測定軌精度優(yōu)于100m。將GNSS接收機在軌實時自主定軌數(shù)據(jù)，與第三方多站聯(lián)合測定軌數(shù)據(jù)進行比對，兩組軌道之間的位置差異優(yōu)于100m，速度差異優(yōu)于0.01m/s。

本次任務(wù)中GNSS接收機下傳偽距、載波相位等原始觀測信息至地面，可用于事后地面高精度軌道計算。武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位中心采用軌道擬合的方法對偽距定位離散軌道進行動力學(xué)平滑，得到連續(xù)平滑的高精度的動力學(xué)軌道。通過導(dǎo)航接收機實時自主定軌結(jié)果與軌道動力學(xué)擬合后軌道符合性分析結(jié)果，可以看出收斂后二者位置差異在30m內(nèi)，速度在5cm/s內(nèi)。

五、小結(jié)

本次探月三期飛行試驗任務(wù)中，首次實現(xiàn)了高軌航天器高靈敏度接收處理關(guān)鍵技術(shù)，在無任何輔助數(shù)據(jù)情況下，成功利用高軌GNSS（GPS/ GLONASS）漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號，實現(xiàn)了探月轉(zhuǎn)移軌道全自主導(dǎo)航定位，位置精度優(yōu)于100m，速度精度優(yōu)于0.01m/s。驗證了航天器運行軌道高于導(dǎo)航星座情況下，漏導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收特性，突破了高軌GNSS信號功率衰減嚴(yán)重、易受障礙物遮擋、可觀性差以及動態(tài)性較高等影響接收機信號處理的瓶頸問題。為我國高軌及深空返回提供一種有效的自主測定軌手段，開拓了GNSS應(yīng)用新領(lǐng)域，具有重大的社會、經(jīng)濟、軍事效益和廣泛的應(yīng)用前景。