中國“北斗”加持全自主快速交會對接

黎峰一 劉寧波 趙文亮 劉憲陽（航天恒星科技有限公司）

2021年6月17日09

22，搭載神舟十二號載人飛船的長征二號F遙十二運載火箭，在酒泉衛星發射中心準時點火發射。隨后，神舟十二號載人飛船與火箭成功分離，進入預定軌道，順利將聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員送入太空，飛行乘組狀態良好，發射取得圓滿成功。17日15

54，神舟十二號載人飛船采用自主快速交會對接模式，成功對接“天和”核心艙前向端口，與此前已對接的天舟二號貨運飛船，一起構成三艙組合體，整個交會對接過程歷時約6.5小時。

神舟十二號載人飛船配備的星載全球導航衛星系統（GNSS）接收機全程利用北斗三號全球衛星導航系統完成絕對定位解算，實現全球范圍內米級高精度定位，保障了飛行器單獨飛行任務；在交會對接段，星載GNSS接收機全程利用北斗三號全球衛星導航系統進行載波相位差分解算，實現厘米級高精度的相對測量，有效保障了交會對接任務的順利完成。這是繼天舟二號任務之后，我國利用“北斗”載波相位差分技術實現全自主快速交會對接的第二次在軌實戰應用。

1 GNSS測量在空間交會對接任務中的應用

載人航天工程空間交會對接任務中，我國采用GNSS相對測量，以及雷達、光學等綜合測量方式，通過測量精度階梯化、作用距離接力式來實現高精度相對測量。GNSS相對測量由星載GNSS接收機構成的相對測量子系統實現。中國空間站建造任務中，空間站核心艙、載人飛船、貨運飛船，以及未來即將建設的實驗艙均配備了星載GNSS接收機，完成導航信號捕獲、跟蹤、定位測速解算等，為船、站提供絕對定位和高精度相對定位信息。

GNSS相對測量子系統在空間交會對接任務中，提供遠距離引導和近距離高精度測量服務，要求具備以下特點：

1）全球覆蓋連續服務；

2）遠距離米級相對測量；

3）近距離厘米級高精度穩定測量；

4）適應空間高動態環境；

5）適應空間單粒子、電離層特殊環境。

中國空間站示意

2 “北斗”相對測量子系統的技術路線

2020年7月，北斗三號全球衛星導航系統正式開通。2021年5月30日05 : 01，天舟二號貨運飛船精準對接于“天和”核心艙后向端口，我國首次利用“北斗”載波相位差分技術實現全自主快速交會對接。2021年6月17日15 : 54，神舟十二號載人飛船成功對接于“天和”核心艙前向端口。兩次交會對接任務的順利完成，是GNSS相對測量子系統利用全面建成的北斗三號全球衛星導航系統實現空間高精度導航應用的典型代表。

“北斗”相對測量子系統由空間站配備的星載GNSS接收機（目標端）和飛船配備的星載GNSS接收機（追蹤端）共同組成。追蹤端和目標端GNSS接收機接收北斗衛星導航信號，提取觀測數據，進行絕對定位解算；目標端接收機輸出的空空通信數據，由空空通信機傳送至追蹤端接收機，追蹤端結合本地原始觀測數據進行差分解算，獲得追蹤端飛行器與目標端飛行器間的相對位置和速度信息。

“北斗”相對定位差分技術的工作原理是利用衛星時鐘、衛星星歷、電離層延遲等誤差所具有的時空相關性這一客觀事實，通過差分的方法消除或削弱絕大部分誤差，使兩飛行器相對測量精度達到實時厘米級，之后處理為毫米級。

基于“北斗”的高精度相對定位差分技術主要有偽距差分、載波相位差分兩種，分別以偽距和載波為基本觀測量，通過雙差模式消除或削弱大部分誤差。交會對接過程中，兩飛行器上星載GNSS接收機構成的“北斗”相對測量子系統，根據基線距離提供不同精度的相對測量服務。在準備段100～1000km范圍內，提供基本導航服務，解算精度為米級；在對接段10～100km范圍內，提供遠距離引導的偽距差分服務，解算精度達到亞米級；在100m～10km范圍內，提供近距離高精度載波相位差分服務，解算精度達到厘米級。交會對接完成后，在組合體運行階段，GNSS接收機仍能繼續提供米級精度的基本導航服務。

“北斗”相對測量子系統在空間交會對接任務中的服務過程

3 “北斗”相對測量子系統的關鍵技術與面臨的挑戰

載波相位差分技術

星載GNSS接收機在高速運動狀態下進行信號接收，歷元間極易發生衛星跟蹤中斷，需要進行實時遞歸處理。同時，歷元間電離層等影響變化大，增加周跳次數和模糊度參數增減的難度，考驗模糊度監測能力。針對以上挑戰，需實施針對性的高精度載波相位差分技術，其關鍵技術如下：

1）基于通道環路參數的周跳檢測技術?；阪i相環、鎖頻環及IQ支路信號功率特性等通道環路參數檢測載波周跳，確保序貫處理的有效遞推。

2）相對測量優化選星技術。利用組合遍歷法對相對精度因子(RDOP)數值進行遞推計算，基于RDOP最小原則進行共視星優選。

3）偽距載波聯合解算和序貫最小二乘解算。利用偽距引導載波相位求解，解決載波方程秩虧問題；利用前一歷元和當前模糊度及權值矩陣、系數矩陣、序貫求解模糊度浮點解，加快模糊度收斂速度。

4）最小二乘模糊去耦調節法 (LAMBDA方法) 整周模糊度搜索。利用LAMBDA方法搜索模糊度，確保模糊度搜索效率和有效性。

測量與定位域數據聯合監測技術

空間站軌道高度通常在400km左右，飛行器運動速度快，致使接收到的衛星信號變換頻繁；受電離層影響，載波周跳頻繁，飛行器難以獲取高動態連續且高可靠的數據。針對以上挑戰，提出測量與定位域數據聯合監測技術，可有效彌補傳統自主完好性監測（RAIM）方法在單顆衛星故障情況下的瓶頸。同時，對高精度差分的測量數據優選提供了精準的決策機制，大幅提高了高動態環境下定位結果的可靠性，其關鍵技術包括：

1）測量域偽距監測。利用基于軌道預測的測量前置監測，以及基于最小二乘殘差法進行偽距異常等故障檢測和識別，可實現對故障星的有效屏蔽。

2）定位域模糊度監測和殘差監測。模糊度監測是對整數解與初始解(浮點解)基線向量一致性檢驗，對整數解與初始解單位權中誤差一致性檢驗；殘差監測指利用周跳探測技術進行可用性評估。

空間環境干擾抑制技術

空間復雜環境對于北斗衛星導航信號的影響主要表現為電離層及多徑的影響?？臻g站軌道高度處于電離層F2區域中電子密度最大的區域，信號穿過不均勻體的變化更為劇烈，對星載GNSS接收機的影響也更為嚴重。針對以上挑戰，提出空間環境干擾抑制技術，通過對在軌數據的分析，從接收機信號處理、定位解算監控、故障預測與規避等多個層面開展針對性抑制和規避措施設計，包括：

1）利用自適應感知環境的抗閃爍環路技術、多系統兼容接收與故障自主監測技術、高動態場景下的快速恢復技術、抗多徑天線技術，提高信號接收處理能力。

2）利用基于軌道預報信息的定軌技術，多傳感器的融合定位與故障規避技術。

3）開展電離層閃爍的預報與任務規劃。

4 結語

空間交會對接技術是航天工程中的一項關鍵技術，是空間站建設、載人登月、空間在軌服務以及星際航行的基礎和保障。相對測量系統是實現空間交會對接任務的關鍵組成部分。利用“北斗”載波相位差分技術實現兩飛行器交會對接，將是未來空間交會對接領域發展的重要方向，為后續空間站與貨運飛船、載人飛船頻繁交會對接的需求提供有效技術保障，為基于北斗導航系統的高精度測量在空間導航領域的應用奠定堅實基礎。