衛星導航技術在高軌自主導航中的應用

· 文 | 航天恒星科技有限公司 王盾 王猛

衛星導航技術在高軌自主導航中的應用

· 文 | 航天恒星科技有限公司 王盾 王猛

針對高軌“全球導航衛星系統”（GNSS）接收機遠距離接收地球對面漏導航信號，信號功率衰減嚴重，旁瓣信號難以接收的技術難題，突破了高靈敏度接收技術、GNSS自主定軌等多項關鍵技術，在月地轉移軌道上成功實現了遠距離漏導航衛星接收機，為地面測定軌提供一種自主的、實時的、有效的技術手段。衛星導航技術在探月返回任務中的應用，探索了衛星導航應用新領域，具有重大工程意義和應用前景。

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艙分離后，采用半彈道跳躍式飛行方式，經過兩次再入大氣層后，成功著陸于內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。

本次探月飛行試驗器主要由服務艙和返回器兩部分組成，服務艙作為服務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構支撐、電源供給、測控通信、姿態與軌道控制等服務功能，為與服務艙分離后的返回器提供高精度再入軌道和姿態參數。當前服務艙測定軌手段依賴地面測控系統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據傳輸，且返回軌道調整機動對測定軌影響較大。因此，在月地轉移軌道上使用衛星導航技術，服務艙中搭載GNSS導航接收機，國際上首次實現了月地轉移軌道的漏導航衛星信號遠距離接收與處理，在深空返回軌道成功自主導航定位，位置精度優于100m。速度精度優于0.05m/s，為飛行器提供準確的軌道信息參考。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、高軌自主導航中的衛星導航技術及應用特點

1.漏導航衛星信號接收技術

漏導航衛星接收機，即所處軌道高度高于導航衛星，僅利用地球方向未被遮擋的導航信號進行導航定位服務的設備。

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

圖2　漏導航衛星信號接收幾何關系圖

目前，“全球定位系統”（GPS）和“全球導航衛星系統”（GLONASS）為可實現全球導航覆蓋的兩大衛星導航系統，為增加可用導航星數量，服務艙導航接收機采用GPS和GLONASS兼容方式，同時接收GPS和GLONASS導航系統的漏導航衛星信號，增加總的導航可用星數，顯著提高定位精度和連續性。

2.高軌道衛星高靈敏度接收技術

探月服務艙GNSS接收機運行高度遠高于導航衛星軌道高度，這使得GNSS應用場景與傳統低軌和地面應用場景大大不同，遠距離導航信號接收導致信號功率衰減嚴重。本次任務導航接收機工作在幾萬千米的轉移軌道上，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導航發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”效應明顯。同時，探月飛行器此階段運行速度快，GNSS接收機設計上還面臨著大多普勒搜索范圍及導航星換星頻繁問題，動態性較高易造成跟蹤失鎖問題。

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

3. GNSS自主定軌技術

由于導航信號微弱導致觀測數據測量誤差大，導航星幾何分布不好，影響了導航定位精度。針對高精度測定軌需求，服務艙GNSS接收機采用了一種基于動力學模型補償的卡爾曼濾波自主定軌算法，利用GPS、GLONASS雙模導航系統的組合觀測信息進行實時軌道確定，以提高自主定軌精度。在本次任務具體實施過程中，針對自主定軌算法實現過程存在的問題，提出了一系列設計方法，具體內容如下。

（1）雙天線相位中心聯合定軌技術

針對服務艙飛行軌道環境、姿態機動特點及導航信號接收特性，在服務艙±Z軸各安裝了一個接收機天線，將兩個天線接收的導航信號進行聯合解算，提高導航信號可觀度。雙天線觀測數據相位中心不一致，帶來了導航定軌解算觀測數據融合使用難題。

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，將飛行器質心下定軌濾波狀態量轉換到各觀測量對應天線相位中心處。待狀態量更新完成后，再將各天線相位中心下表示的狀態量轉換到衛星質心。通過對不同相位中心的偽距折算，實現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

GNSS實時自主定軌算法復雜、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高精度實時定軌，在實施過程中使用分時處理的技術。分時處理技術基于以空間換時間的策略，系統需實時存儲上一時刻的分時計算結果，然后利用上一時刻的分時計算數據計算當前時刻的分時計算結果，通過進行多步的分時計算，完成整個定軌濾波解算過程。

（3）高可靠的質量控制技術

高軌道航天器接收信號微弱，導致觀測數據測量誤差大。存在粗差的觀測數據在參與定軌解算后，既影響幾何學實時計算，又影響定軌濾波的精度和濾波穩定性。因此，在實時自主定軌過程中，提出了高可靠的觀測數據質量控制技術，具體實現方法如下：

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

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

三、導航接收機設計

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

圖3　漏導航衛星信號接收系統框圖

GNSS接收天線接收導航信號，通過前置放大器進行濾波和放大處理后送入導航接收機，把收到的模擬導航信號由L頻段變換到較低的中頻頻段上，進行模數轉換，在數字域內完成導航信號的捕獲、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，得到最終的導航結果。

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

圖4　導航接收機結構內部裝配圖

GNSS接收天線a安裝在服務艙下艙+Z+Y板的外表面（+Z面），與服務艙+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），垂直于結構板安裝，與服務艙-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、在軌數據分析

1.導航信號接收特性分析

國際標準時間（UTC）2014年10月31日17：01：57，服務艙GNSS接收機在67372km軌道高度開機，3min35s后收到了第一顆GLONASS衛星信號，并獲得導航星電文信息。在軌道高度66944km處，接收機完成時間系統初始化。在軌道高度66765km處，成功收到第一顆GPS導航衛星。軌道高度61808 km處，第一次完成導航解算，并對外輸出導航位置速度結果。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數據更新速率連續輸出導航定位結果。本次在軌飛行試驗，成功實現了利用漏導航衛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姿操作，該階段的飛行軌道非常穩定。根據USB和VLBI測量數據，地面定軌系統通過多站聯合精度評估，測定軌精度優于100m。將GNSS接收機在軌實時自主定軌數據，與第三方多站聯合測定軌數據進行比對，兩組軌道之間的位置差異優于100m，速度差異優于0.01m/s。

本次任務中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。武漢大學衛星導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平滑，得到連續平滑的高精度的動力學軌道。通過導航接收機實時自主定軌結果與軌道動力學擬合后軌道符合性分析結果，可以看出收斂后二者位置差異在30m內，速度在5cm/s內。

五、小結

本次探月三期飛行試驗任務中，首次實現了高軌航天器高靈敏度接收處理關鍵技術，在無任何輔助數據情況下，成功利用高軌GNSS（GPS/ GLONASS）漏導航衛星信號，實現了探月轉移軌道全自主導航定位，位置精度優于100m，速度精度優于0.01m/s。驗證了航天器運行軌道高于導航星座情況下，漏導航衛星信號接收特性，突破了高軌GNSS信號功率衰減嚴重、易受障礙物遮擋、可觀性差以及動態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應用新領域，具有重大的社會、經濟、軍事效益和廣泛的應用前景。