基于GNSS的高軌衛(wèi)星定軌技術(shù)研究

【摘要】隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對衛(wèi)星導(dǎo)航定位的要求也越來越高，不僅要保證定軌的精度，還要保證定軌的實(shí)時性，因此，地基衛(wèi)星定軌已經(jīng)無法滿足要求，天基定軌的需求越來越迫切，并且將成為未來發(fā)展的趨勢。GNSS的發(fā)展將提高多模接收機(jī)的定位精度和可靠性，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對其的研究非常有必要，大力發(fā)展星載自主導(dǎo)航系統(tǒng)，從而才能減小和其他國家在航天領(lǐng)域的差距。基于此本文分析了基于GNSS的高軌衛(wèi)星定軌技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】GNSS；高軌衛(wèi)星；定軌技術(shù)

【中圖分類號】P228

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

1、星載GNSS接收機(jī)的基本原理

GNSS系統(tǒng)由三部分組成，分別是空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分，它們之間的關(guān)系如下圖所示：

1.1 空間部分

空間部分又稱為衛(wèi)星星座，GNSS系統(tǒng)由GPS/GLONASS/Galileo/北斗四大系統(tǒng)組成，由前面的介紹可知，各系統(tǒng)的軌道高度，軌道傾角，衛(wèi)星類型和數(shù)目都不一樣。空間部分的主要功能為：地面監(jiān)控站會不間斷的向衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射控制命令，衛(wèi)星對接收到的信號進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。

1.2 地面監(jiān)控部分

GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分由1個主控站、5個監(jiān)控站和3個注入站組成。主控站的作用是接收監(jiān)控站傳送來的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，注入站的數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到的信息編寫每顆衛(wèi)星對應(yīng)的導(dǎo)航電文，并將導(dǎo)航電文發(fā)送給注入站，處理和協(xié)調(diào)地面監(jiān)控部分的工作；監(jiān)控站的作用是接收GPS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，收集電離層、對流層的數(shù)據(jù)，主控站接收處理后的觀測數(shù)據(jù)；注入站的作用是將接收到的主控站發(fā)送來的衛(wèi)星導(dǎo)航電文注入到每顆GPS衛(wèi)星。

1.3 用戶部分

用戶部分也稱為GNSS接收機(jī)，它的主要任務(wù)是捕獲和跟蹤衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號，并對接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行處理，包括下變頻、A/D轉(zhuǎn)換、放大等，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)計算出衛(wèi)星的位置和速度信息，從而計算出偽距。將接收到的導(dǎo)航電文進(jìn)行解析，實(shí)時計算接收機(jī)的三維位置信息。

2、GNSS的高軌衛(wèi)星定軌技術(shù)

2.1 GNSS信號捕獲技術(shù)

接收機(jī)與衛(wèi)星的相對運(yùn)動會產(chǎn)生多普勒頻移，多普勒頻移不僅與相對運(yùn)動的速度有關(guān)，還與接收機(jī)的時鐘晶振的偏差有關(guān)。

實(shí)際上，接收機(jī)同時搜索載波頻率和偽碼相位，因?yàn)槿绻煌瓿闪溯d波頻率的搜索，則偽碼分量依然存在，輸入信號和本地載波相乘之后使得信號依然是擴(kuò)頻信號，通過積分器積分，不會出現(xiàn)高的相關(guān)峰值。所以，必須同時對本地載波和偽碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，檢查相關(guān)的結(jié)果是否實(shí)現(xiàn)了信號的捕獲。

2.2 GNSS信號跟蹤技術(shù)

2.2.1 載波跟蹤

載波跟蹤的原理為：輸入信號分別與本地載波發(fā)生器產(chǎn)生的I路和Q路相乘，乘積通過低通濾波器濾波，比較輸出結(jié)果。兩路分量通過鑒相器處理后，得到相位誤差。相位誤差通過載波環(huán)濾波器后將其反饋給本地載波發(fā)生器，構(gòu)成一個回路，可以時刻調(diào)整本地載波發(fā)生器的載波相位。

2.2.2 偽碼跟蹤

偽碼的跟蹤一般使用延遲鎖定環(huán)（DelayedLockLoop）實(shí)現(xiàn)。偽碼發(fā)生器產(chǎn)生三個偽碼，它們分別為超前碼、滯后碼和即時碼。這三路信號分別與輸入信號進(jìn)行相干運(yùn)算，將輸出的結(jié)果通過鑒相器得出偽碼的相位差，并將相位差反饋到偽碼發(fā)生器，構(gòu)成一個閉合回路，通過實(shí)時調(diào)整偽碼發(fā)生器的輸出相位來匹配輸入信號的偽碼相位。

2.3 自主定軌技術(shù)

（1）雙天線相位中心聯(lián)合定軌技術(shù)

GNSS自主定軌算法在利用偽距測量進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時定軌，在實(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)時計算，又影響定軌濾波的精度和濾波穩(wěn)定性。

因此，在實(shí)時定軌過程中，提出了高可靠的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)，具體實(shí)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)。

總之，隨著導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，GNSS系統(tǒng)也日益完善，星載GNSS接收機(jī)的出現(xiàn)將減少對地面控制部分的依賴，降低了成本，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對其的研究非常有必要。

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