论文部分内容阅读
【摘要】随着航天技术的不断发展，对卫星导航定位的要求也越来越高，不仅要保证定轨的精度，还要保证定轨的实时性，因此，地基卫星定轨已经无法满足要求，天基定轨的需求越来越迫切，并且将成为未来发展的趋势。GNSS的发展将提高多模接收机的定位精度和可靠性，因此进一步加强对其的研究非常有必要，大力发展星载自主导航系统，从而才能减小和其他国家在航天领域的差距。基于此本文分析了基于GNSS的高轨卫星定轨技术。
【关键词】GNSS；高轨卫星；定轨技术
【中图分类号】P228
【文献标识码】A
1、星载GNSS接收机的基本原理
GNSS系统由三部分组成，分别是空间部分、地面監控部分和用户部分，它们之间的关系如下图所示：
1.1 空间部分
空间部分又称为卫星星座，GNSS系统由GPS/GLONASS/Galileo/北斗四大系统组成，由前面的介绍可知，各系统的轨道高度，轨道倾角，卫星类型和数目都不一样。空间部分的主要功能为：地面监控站会不间断的向卫星系统发射控制命令，卫星对接收到的信号进行必要的数据处理，执行相应的控制命令。
1.2 地面监控部分
GPS系统的地面监控部分由1个主控站、5个监控站和3个注入站组成。主控站的作用是接收监控站传送来的数据，卫星的工作状态数据，注入站的数据，根据接收到的信息编写每颗卫星对应的导航电文，并将导航电文发送给注入站，处理和协调地面监控部分的工作；监控站的作用是接收GPS系统卫星数据，收集电离层、对流层的数据，主控站接收处理后的观测数据；注入站的作用是将接收到的主控站发送来的卫星导航电文注入到每颗GPS卫星。
1.3 用户部分
用户部分也称为GNSS接收机，它的主要任务是捕获和跟踪卫星发射的导航信号，并对接收到的卫星信号进行处理，包括下变频、A/D转换、放大等，根据处理后的数据计算出卫星的位置和速度信息，从而计算出伪距。将接收到的导航电文进行解析，实时计算接收机的三维位置信息。
2、GNSS的高轨卫星定轨技术
2.1 GNSS信号捕获技术
接收机与卫星的相对运动会产生多普勒频移，多普勒频移不仅与相对运动的速度有关，还与接收机的时钟晶振的偏差有关。
实际上，接收机同时搜索载波频率和伪码相位，因为如果只完成了载波频率的搜索，则伪码分量依然存在，输入信号和本地载波相乘之后使得信号依然是扩频信号，通过积分器积分，不会出现高的相关峰值。所以，必须同时对本地载波和伪码进行相关运算，检查相关的结果是否实现了信号的捕获。
2.2 GNSS信号跟踪技术
2.2.1 载波跟踪
载波跟踪的原理为：输入信号分别与本地载波发生器产生的I路和Q路相乘，乘积通过低通滤波器滤波，比较输出结果。两路分量通过鉴相器处理后，得到相位误差。相位误差通过载波环滤波器后将其反馈给本地载波发生器，构成一个回路，可以时刻调整本地载波发生器的载波相位。
2.2.2 伪码跟踪
伪码的跟踪一般使用延迟锁定环（DelayedLockLoop）实现。伪码发生器产生三个伪码，它们分别为超前码、滞后码和即时码。这三路信号分别与输入信号进行相干运算，将输出的结果通过鉴相器得出伪码的相位差，并将相位差反馈到伪码发生器，构成一个闭合回路，通过实时调整伪码发生器的输出相位来匹配输入信号的伪码相位。
2.3 自主定轨技术
（1）双天线相位中心联合定轨技术
GNSS自主定轨算法在利用伪距测量进行滤波测量更新过程中，将飞行器质心下定轨滤波状态量转换到各观测量对应天线相位中心处。待状态量更新完成后，再将各天线相位中心下表示的状态量转换到卫星质心。通过对不同相位中心的伪距折算，实现双天线模式下的定轨滤波测量更新。
（2）定轨算法分时处理技术
GNSS实时自主定轨算法复杂、计算量大，星上处理器计算资源紧张。为了在有限计算资源的条件下实现高精度实时定轨，在实施过程中使用分时处理的技术。分时处理技术基于以空间换时间的策略，系统需实时存储上一时刻的分时计算结果，然后利用上一时刻的分时计算数据计算当前时刻的分时计算结果，通过进行多步的分时计算，完成整个定轨滤波解算过程。
3、高可靠的质量控制技术
高轨道航天器接收信号微弱，导致观测数据测量误差大。存在粗差的观测数据在参与定轨解算后，既影响几何学实时计算，又影响定轨滤波的精度和滤波稳定性。
因此，在实时定轨过程中，提出了高可靠的观测数据质量控制技术，具体实现方法如下：1）采用基于同一历元观测数据钟差一致性原理的预处理方法，通过识别并剔除粗差数据，提高自主定轨滤波算法的稳定性。2）采用滤波状态备份恢复技术，在定轨滤波测量更新完成之后，通过检测定轨滤波粗差，来决定是否更新当前的滤波状态，或直接将备份的上一滤波周期的滤波器状态赋予当前滤波器状态。
总之，随着导航技术的不断发展，GNSS系统也日益完善，星载GNSS接收机的出现将减少对地面控制部分的依赖，降低了成本，因此进一步加强对其的研究非常有必要。
参考文献：
[1]秦红磊，梁敏敏.基于GNSS的高轨卫星定位技术研究[J].空间科学学报，2008，04：316-325.
[2]巩玉振.基于GNSS的高轨卫星定位技术研究[D].北京理工大学，2015.
[3]孟轶男，樊士伟，李罡，高为广.利用GNSS星间链路对中高轨航天器测定轨的可行性研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，04：445-449.
【关键词】GNSS；高轨卫星；定轨技术
【中图分类号】P228
【文献标识码】A
1、星载GNSS接收机的基本原理
GNSS系统由三部分组成，分别是空间部分、地面監控部分和用户部分，它们之间的关系如下图所示：
1.1 空间部分
空间部分又称为卫星星座，GNSS系统由GPS/GLONASS/Galileo/北斗四大系统组成，由前面的介绍可知，各系统的轨道高度，轨道倾角，卫星类型和数目都不一样。空间部分的主要功能为：地面监控站会不间断的向卫星系统发射控制命令，卫星对接收到的信号进行必要的数据处理，执行相应的控制命令。
1.2 地面监控部分
GPS系统的地面监控部分由1个主控站、5个监控站和3个注入站组成。主控站的作用是接收监控站传送来的数据，卫星的工作状态数据，注入站的数据，根据接收到的信息编写每颗卫星对应的导航电文，并将导航电文发送给注入站，处理和协调地面监控部分的工作；监控站的作用是接收GPS系统卫星数据，收集电离层、对流层的数据，主控站接收处理后的观测数据；注入站的作用是将接收到的主控站发送来的卫星导航电文注入到每颗GPS卫星。
1.3 用户部分
用户部分也称为GNSS接收机，它的主要任务是捕获和跟踪卫星发射的导航信号，并对接收到的卫星信号进行处理，包括下变频、A/D转换、放大等，根据处理后的数据计算出卫星的位置和速度信息，从而计算出伪距。将接收到的导航电文进行解析，实时计算接收机的三维位置信息。
2、GNSS的高轨卫星定轨技术
2.1 GNSS信号捕获技术
接收机与卫星的相对运动会产生多普勒频移，多普勒频移不仅与相对运动的速度有关，还与接收机的时钟晶振的偏差有关。
实际上，接收机同时搜索载波频率和伪码相位，因为如果只完成了载波频率的搜索，则伪码分量依然存在，输入信号和本地载波相乘之后使得信号依然是扩频信号，通过积分器积分，不会出现高的相关峰值。所以，必须同时对本地载波和伪码进行相关运算，检查相关的结果是否实现了信号的捕获。
2.2 GNSS信号跟踪技术
2.2.1 载波跟踪
载波跟踪的原理为：输入信号分别与本地载波发生器产生的I路和Q路相乘，乘积通过低通滤波器滤波，比较输出结果。两路分量通过鉴相器处理后，得到相位误差。相位误差通过载波环滤波器后将其反馈给本地载波发生器，构成一个回路，可以时刻调整本地载波发生器的载波相位。
2.2.2 伪码跟踪
伪码的跟踪一般使用延迟锁定环（DelayedLockLoop）实现。伪码发生器产生三个伪码，它们分别为超前码、滞后码和即时码。这三路信号分别与输入信号进行相干运算，将输出的结果通过鉴相器得出伪码的相位差，并将相位差反馈到伪码发生器，构成一个闭合回路，通过实时调整伪码发生器的输出相位来匹配输入信号的伪码相位。
2.3 自主定轨技术
（1）双天线相位中心联合定轨技术
GNSS自主定轨算法在利用伪距测量进行滤波测量更新过程中，将飞行器质心下定轨滤波状态量转换到各观测量对应天线相位中心处。待状态量更新完成后，再将各天线相位中心下表示的状态量转换到卫星质心。通过对不同相位中心的伪距折算，实现双天线模式下的定轨滤波测量更新。
（2）定轨算法分时处理技术
GNSS实时自主定轨算法复杂、计算量大，星上处理器计算资源紧张。为了在有限计算资源的条件下实现高精度实时定轨，在实施过程中使用分时处理的技术。分时处理技术基于以空间换时间的策略，系统需实时存储上一时刻的分时计算结果，然后利用上一时刻的分时计算数据计算当前时刻的分时计算结果，通过进行多步的分时计算，完成整个定轨滤波解算过程。
3、高可靠的质量控制技术
高轨道航天器接收信号微弱，导致观测数据测量误差大。存在粗差的观测数据在参与定轨解算后，既影响几何学实时计算，又影响定轨滤波的精度和滤波稳定性。
因此，在实时定轨过程中，提出了高可靠的观测数据质量控制技术，具体实现方法如下：1）采用基于同一历元观测数据钟差一致性原理的预处理方法，通过识别并剔除粗差数据，提高自主定轨滤波算法的稳定性。2）采用滤波状态备份恢复技术，在定轨滤波测量更新完成之后，通过检测定轨滤波粗差，来决定是否更新当前的滤波状态，或直接将备份的上一滤波周期的滤波器状态赋予当前滤波器状态。
总之，随着导航技术的不断发展，GNSS系统也日益完善，星载GNSS接收机的出现将减少对地面控制部分的依赖，降低了成本，因此进一步加强对其的研究非常有必要。
参考文献：
[1]秦红磊，梁敏敏.基于GNSS的高轨卫星定位技术研究[J].空间科学学报，2008，04：316-325.
[2]巩玉振.基于GNSS的高轨卫星定位技术研究[D].北京理工大学，2015.
[3]孟轶男，樊士伟，李罡，高为广.利用GNSS星间链路对中高轨航天器测定轨的可行性研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，04：445-449.