發(fā)布時間：2018-06-30 06:11

  本文選題：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) + 高軌飛行器��； 參考：《國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：隨著人類太空探索任務(wù)數(shù)量的逐年遞增,自主定位與導(dǎo)航將逐漸取代地面測控,成為航天飛行器在軌自主運行必不可少的功能。包括中國探月工程在內(nèi)的高軌與深空探測任務(wù)對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)在高軌的應(yīng)用提出迫切需求。相比日漸成熟的低軌飛行器GNSS定位技術(shù),高軌飛行器GNSS定位還存在著可見衛(wèi)星數(shù)少、幾何精度因子差、信號接收的載噪比低等不利因素。本文針對高軌飛行器GNSS定位中的技術(shù)問題,分析了高軌飛行器利用GNSS下行導(dǎo)航信號和星間鏈路信號定位的性能并對其進行了優(yōu)化設(shè)計,研究了北斗衛(wèi)星利用其它GNSS系統(tǒng)完成應(yīng)急定位的可行性并對星載接收天線進行優(yōu)化設(shè)計,探索了GNSS下行導(dǎo)航信號與星間鏈路信號的聯(lián)合接收算法并分析了信道非理想特性的影響。(1)論文針對探月飛行器所在的高軌弱信號環(huán)境,評估了GNSS多星座組合時,環(huán)月飛行器接收GNSS主瓣、旁瓣信號的可用性。通過可見衛(wèi)星數(shù)、接收信號載噪比、幾何精度因子等參數(shù),評估了環(huán)月飛行器使用“美國全球定位系統(tǒng)(GPS)”、“中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(北斗)”、“俄羅斯格洛納斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(格洛納斯)”和“歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(伽利略)”以及它們的各種組合實現(xiàn)定位的可行性。證明了使用全向天線接收四大GNSS系統(tǒng)下行導(dǎo)航信號的主瓣、旁瓣信號時均無法完成定位;使用定向天線提高接收增益使得旁瓣信號可用后,至少需要三個GNSS系統(tǒng)聯(lián)合,才能實現(xiàn)飛行器全程定位。三系統(tǒng)組合中,GPS、北斗和伽利略系統(tǒng)組合的幾何精度因子最優(yōu),四系統(tǒng)組合的幾何精度因子可改善16.93%。研究成果為高軌飛行器多系統(tǒng)聯(lián)合的接收機設(shè)計提供理論參考。(2)為解決GNSS的下行導(dǎo)航信號為探月飛行器定位時載噪比過低的問題,提出利用GNSS的星間鏈路信號為高軌飛行器定位的方法。以加權(quán)距離均方誤差最小為優(yōu)化目標,對探月飛行器和導(dǎo)航衛(wèi)星接收星間鏈路信號的性能進行聯(lián)合優(yōu)化。提出一種兼顧探月飛行器定位與衛(wèi)星星間通信測距的導(dǎo)航衛(wèi)星寬波束星間鏈路模式,并設(shè)計了與之相匹配的星間鏈路環(huán)波束發(fā)射天線。對比分析結(jié)果表明:所設(shè)計的星間鏈路實現(xiàn)了支持探月飛行器從GNSS衛(wèi)星軌道高度到月球軌道高度的定位與衛(wèi)星星間測距通信的功能。仿真計算與實測數(shù)據(jù)的對比證明探月飛行器利用該模式星間信號定位的性能優(yōu)于接收GNSS下行導(dǎo)航信號定位的性能。(3)為實現(xiàn)北斗系中、高軌衛(wèi)星在星地通訊中斷情況下的自主定位,提出北斗衛(wèi)星利用GPS和格洛納斯系統(tǒng)的下行導(dǎo)航信號進行定位的方法。分析了接收信號的多普勒頻移、多普勒頻移變化率、通道隔離與帶外抑制、可見衛(wèi)星數(shù)、載噪比、幾何精度因子。同時以幾何距離均方誤差最小為優(yōu)化目標,分析了中地球軌道、地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道上的北斗衛(wèi)星利用星載GNSS接收機接收其民用信號的能力;獲得三種軌道上接收性能最優(yōu)的天線參數(shù),并設(shè)計了相應(yīng)的接收天線方向圖,為北斗衛(wèi)星應(yīng)急定位的星載接收機設(shè)計提供參考。(4)論文利用高軌飛行器同時接收GNSS下行導(dǎo)航信號和星間鏈路信號的有利條件,分別提出了“GNSS的星間強信號輔助下行弱信號的矢量環(huán)聯(lián)合跟蹤算法及改進的無偏跟蹤算法”、“GNSS的下行導(dǎo)航信號與星間鏈路信號聯(lián)合的快速定位算法”。前者通過強信號輔助解決了高軌GNSS弱信號接收時矢量延遲鎖定環(huán)路時跟蹤抖動大的問題,通過GNSS下行導(dǎo)航信號和星間鏈路信號的系數(shù)加權(quán)消除了傳統(tǒng)矢量延遲鎖定環(huán)的跟蹤偏差;后者解決了高軌GNSS信號條件下首次定位時間過長的問題,將定位時間縮短為正常情況的1/6。另外,針對北斗衛(wèi)星利用GNSS信號定位的高精度應(yīng)用,分析了冪方型和余弦型信道非理想特性導(dǎo)致BOC和BPSK調(diào)制的估計精度損耗,提出了高精度信號接收背景下的通道優(yōu)化建議。最后總結(jié)本文研究成果,展望下一步將要開展的工作。本課題為將來高軌飛行器擺脫地面測控網(wǎng)的局限,實現(xiàn)高軌飛行器在軌自主定位與導(dǎo)航提供了理論支撐。
[Abstract]:As the number of human space exploration tasks increases year by year, autonomous positioning and navigation will gradually replace ground measurement and control and become an indispensable function of the autonomous operation of the spacecraft. The high rail and deep space exploration tasks, including the Chinese lunar exploration project, need an urgent need for the application of the global navigation satellite system (GNSS) on the high track. The increasingly mature GNSS positioning technology for low rail vehicles, the GNSS positioning of the high rail aircraft still exists the disadvantages of less visible satellite, poor geometric precision factor and low signal reception ratio. This paper analyzes the technical problems in the GNSS positioning of the high rail aircraft, and analyzes the use of the GNSS downlink navigation signal and the intersatellite link signal. The performance of the positioning and optimization design is carried out. The feasibility of using other GNSS systems to complete the emergency positioning of the Beidou satellite is studied and the satellite borne receiving antenna is optimized. The joint reception algorithm of the GNSS downlink navigation signal and the inter satellite link signal is explored and the influence of the non ideal characteristics of the channel is analyzed. (1) the thesis is aimed at the exploration of the moon. In the high rail weak signal environment where the aircraft is located, the availability of the GNSS main lobe and sidelobe signal for the GNSS multi constellation combination is evaluated. Through the parameters such as the number of visible satellites, the signal to noise ratio and the geometric precision factor, the use of the United States full ball positioning system (GPS), "China Beidou satellite navigation system", is evaluated. It is proved that the use of the omnidirectional antenna to receive the main lobe of the downlink signal of the four GNSS systems and the sidelobe signal can not be completed. Using a directional antenna to increase the receiving gain so that the sidelobe signal is available, at least three GNSS systems are needed to achieve full positioning of the aircraft. In the three system combination, the geometric precision factor of the combination of the GPS, the Beidou and Galileo system is optimal, and the geometric precision factor of the four system combination can improve the 16.93%. research results for the high rail aircraft. The joint receiver design of the system provides a theoretical reference. (2) in order to solve the problem of the low carrier noise ratio of GNSS's downlink navigation signal to the lunar exploration vehicle, the method of using the intersatellite link signal of GNSS to locate the high rail vehicle is proposed. The performance of inter satellite link signal is optimized jointly. A wide beam inter satellite link model of navigation satellite is proposed, which takes both the location of the lunar spacecraft and satellite communication between satellites. The matching of the inter satellite link beam transmitting antenna is designed. The result of comparison and analysis shows that the established inter satellite link is able to support the lunar exploration aircraft. From the altitude of the GNSS satellite orbit to the orbit height of the moon and the function of satellite satellite distance communication. The comparison between the simulation calculation and the measured data shows that the performance of the lunar probe using this mode is better than the performance of receiving the GNSS downlink navigation signal. (3) in the real Beidou system, the high orbit satellite is interrupted by the satellite communication. In the case of autonomous positioning, the method of positioning the Beidou satellite using the downlink navigation signal of GPS and the GNS system is proposed. The Doppler shift of the received signal, the change rate of Doppler frequency shift, the channel isolation and out of band suppression, the number of visible satellites, the carrier noise ratio and the geometric precision factor are analyzed, and the minimum mean square error of geometric distance is optimized. The aim is to analyze the ability of the Beidou satellite in the geostationary orbit of the earth orbit, the geostationary orbit and the geosynchronous orbit of the earth to receive its civil signal by the satellite borne GNSS receiver, and obtain the antenna parameters with the best receiving performance on the three tracks, and design the corresponding antenna square graph for the satellite borne receiver of the Beidou satellite emergency positioning. (4) (4) using the favorable conditions for the simultaneous reception of the downlink navigation signal and the intersatellite link signal of the high rail vehicle, the paper proposes the "GNSS's joint tracking algorithm for the vector ring of weak signal and the improved unbiased tracking algorithm", "the combination of the downlink navigation signal of GNSS and the intersatellite link signal." The former solves the problem of large tracking jitter when the vector delayed lock loop of the high rail GNSS weak signal is received by the strong signal auxiliary, and eliminates the tracking deviation of the traditional vector delayed lock loop through the coefficient weighting of the GNSS downlink navigation signal and the inter satellite link signal; the latter solves the high track GNSS signal condition under the condition of the high rail signal. For the first time, the location time is too long, and the positioning time is shortened to the normal 1/6.. In view of the high precision application of the Beidou satellite using GNSS signal positioning, the estimation precision loss of the power square and the cosine channel non ideal characteristics leading to the estimation of the BOC and BPSK modulation is analyzed, and the channel optimization proposal under the background of high precision signal reception is proposed. Finally, the research results are summarized, and the next step will be expected. This topic provides a theoretical support for the future of the high rail vehicle to get rid of the ground measurement and control network, and to realize the autonomous positioning and navigation of the high rail aircraft on orbit.
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2;TN967.1

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本文編號：2085256