基于高軌航天器的GNSS接收機(jī)技術(shù)

高陽(yáng)，王猛，劉蕾，車歡，張騫

北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京 100086

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基于高軌航天器的GNSS接收機(jī)技術(shù)

高陽(yáng)*，王猛，劉蕾，車歡，張騫

北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京 100086

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)應(yīng)用于高軌航天器時(shí)，因軌道高于導(dǎo)航衛(wèi)星，可見星數(shù)量急劇減少，空間信號(hào)功率微弱，信號(hào)的快速捕獲和跟蹤十分困難。文章對(duì)高軌地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)接收技術(shù)進(jìn)行了研究。以中國(guó)實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星為研究對(duì)象，采用官方正式發(fā)布的發(fā)射天線方向圖對(duì)GEO下GNSS信號(hào)特征及可用性開展研究分析，并針對(duì)高軌道航天器GNSS信號(hào)微弱的特點(diǎn)，采用長(zhǎng)時(shí)間積分處理的梳狀濾波方法、差分相干累加比特同步算法和基于動(dòng)力學(xué)模型補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)展卡爾曼濾波自主定軌算法設(shè)計(jì)GNSS接收機(jī)，并在半物理仿真平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：GNSS接收機(jī)捕獲靈敏度優(yōu)于-173 dBW，跟蹤靈敏度優(yōu)于-175 dBW，定軌位置精度優(yōu)于50 m，速度精度優(yōu)于0.01 m/s。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；地球同步軌道；高靈敏度；接收機(jī)

基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的航天器自主導(dǎo)航應(yīng)用具有實(shí)時(shí)性高、自主性強(qiáng)、精度較高、成本較低的特點(diǎn)，是目前國(guó)際上航天器自主定軌工程應(yīng)用的主要手段。過去十年間，GNSS接收機(jī)已成為低軌航天器的標(biāo)準(zhǔn)配置。在地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)高軌空間領(lǐng)域，GNSS接收天線需要指向地心，接收來自地球另一面的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，這會(huì)產(chǎn)生空間信號(hào)微弱和可見性差等問題。根據(jù)空間幾何關(guān)系[1]，導(dǎo)航星主瓣波束角寬度為21.3°，其中13.9°被地球遮擋，GNSS接收機(jī)只能接收部分主瓣信號(hào)和旁瓣信號(hào)，旁瓣信號(hào)功率強(qiáng)度比主瓣信號(hào)弱10dB以上，考慮信號(hào)傳播距離增大，空間鏈路衰減增加，信號(hào)功率十分微弱，此外，可見星幾何構(gòu)型差，精度因子(Dilution Of Precision，DOP)值較大。為此，GNSS接收機(jī)需要具備高靈敏度快速捕獲、跟蹤處理特性，在導(dǎo)航解算方面，采取擴(kuò)展卡爾曼濾波動(dòng)力學(xué)定軌方法進(jìn)一步提高位置速度解算精度，取代了易受DOP影響的最小二乘幾何單點(diǎn)定位算法。

對(duì)于高于導(dǎo)航衛(wèi)星軌道航天器的GNSS應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外也開展相關(guān)搭載試驗(yàn)。美國(guó)AO-40衛(wèi)星[2]搭載全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)接收機(jī)在大橢圓軌道(Highly Elliptical Orbit，HEO)58 000 km高度成功接收GPS導(dǎo)航信號(hào)，但未能實(shí)現(xiàn)在軌實(shí)時(shí)定位。ESA的GIOVE-A衛(wèi)星[3]搭載GPS接收機(jī)首次在高于GPS星座的軌道高度實(shí)現(xiàn)在軌定位，其軌道高度為23 300 km的中地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)。NASA戈達(dá)德太空飛行中心也研發(fā)了一款適用于高軌道的Navigator接收機(jī)[4]，該接收機(jī)在磁多層探測(cè)(Magnetospheric Multiscale，MMS)航天器中承擔(dān)GPS導(dǎo)航定位任務(wù)，在76 000 km軌道高度成功實(shí)現(xiàn)在軌導(dǎo)航解算。在中國(guó)，嫦娥五號(hào)飛行試驗(yàn)器(Chang′E-5T)搭載GNSS接收機(jī)兼容處理GPS和格洛納斯(GLONASS)信號(hào)，于2014年11月在地月轉(zhuǎn)移軌道和月地轉(zhuǎn)移軌道開展在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證工作[5]。文獻(xiàn)[6]在高軌衛(wèi)星軌道積分濾波方面開展了研究，文獻(xiàn)[7]在GNSS弱信號(hào)為適應(yīng)高動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境開展了GNSS捕獲方法研究。

然而對(duì)于GEO軌道，尤其對(duì)于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)，信號(hào)的應(yīng)用情況還需要進(jìn)行在軌驗(yàn)證。實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星于2016年11月3日在海南文昌發(fā)射，衛(wèi)星搭載GNSS接收機(jī)，兼容接收BDS/GPS/GLONASS系統(tǒng)主瓣和旁瓣導(dǎo)航信號(hào)，具有高靈敏度接收能力，用于開展GEO軌道GNSS在軌自主導(dǎo)航試驗(yàn)驗(yàn)證。

此外，多篇文章[8-9]已經(jīng)開展過高軌GNSS可用性分析相關(guān)工作，其導(dǎo)航發(fā)射天線旁瓣信號(hào)均采用估計(jì)的旁瓣方向圖，且天線方向圖水平方向僅采取單個(gè)切面數(shù)據(jù)，無法充分反映天線增益凹凸變化帶來的影響。GPS官方在2014年底發(fā)布GPS導(dǎo)航發(fā)射天線旁瓣信號(hào)的方向圖，且GPS新發(fā)射的衛(wèi)星為滿足高軌空間應(yīng)用均采取改進(jìn)旁瓣方向圖的新型天線，天線方向圖均產(chǎn)生細(xì)微變化。

本文以實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星為例，采用官方公布的導(dǎo)航天線方向圖，建立天線水平方向全向360°的增益方向圖數(shù)據(jù)源，進(jìn)行可見性分析，并針對(duì)性設(shè)計(jì)GNSS接收機(jī)，對(duì)弱信號(hào)快速捕獲和穩(wěn)定跟蹤算法進(jìn)行研究，使用基于動(dòng)力學(xué)模型的擴(kuò)展卡爾曼濾波方法提高導(dǎo)航精度。文末通過半物理仿真試驗(yàn)測(cè)試了GNSS接收機(jī)的性能。

1 實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星GNSS可用性 分析

為研究實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星軌道下GNSS接收特性，采用衛(wèi)星工具包(Satellite Tool Kit，STK)進(jìn)行信號(hào)可用性分析。

1.1 場(chǎng)景設(shè)置

STK采取北美航空司令部(North American Aerospace Defense Command，NORAD)公布的2016年6月30日GPS、GLONASS和BDS的兩行根數(shù)(Two-line Elements，TLE)文件，其中GPS星座正常運(yùn)行31顆衛(wèi)星，第27號(hào)衛(wèi)星不可用；GLONASS星座正常運(yùn)行24顆衛(wèi)星。BDS星座采取北斗二代一期的導(dǎo)航星座，5顆GEO衛(wèi)星，5顆傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)衛(wèi)星，3顆MEO衛(wèi)星。GPS導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射功率為13dBW[10]，GPS導(dǎo)航星座發(fā)射天線采取Lockheed Martin公司公布的天線方向圖[11]，BDS和GLONASS導(dǎo)航星座發(fā)射功率和天線方向圖參照GPS制作，發(fā)射天線方向圖采取GPS IIR第14號(hào)衛(wèi)星方向圖，見圖1(a)。

實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星采用高增益天線，GNSS天線實(shí)測(cè)最大增益9.424 dBic，±30°內(nèi)增益優(yōu)于7 dBic，天線方向圖見圖1(b)。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，GNSS接收天線指向地心。GNSS接收機(jī)接收功率門限設(shè)置為-173 dBW。實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星瞬時(shí)根數(shù)見表1。

時(shí)間半長(zhǎng)軸/km傾角/(°)升交點(diǎn)赤經(jīng)/(°)偏心率平近點(diǎn)角/(°)近地點(diǎn)幅角/(°)2016-11-100:00:0044378.51814.705106.9160.003986119.313165.236

1.2 GNSS可用性結(jié)果

圖2為GPS、GLONASS、BDS和GNSS可見星數(shù)統(tǒng)計(jì)，GNSS可見星數(shù)量最少7顆。GPS和GLONASS可見星情況十分相似，GPS平均可見星7.548 8顆，GLONASS平均可見星7.539 0顆，BDS由于未完成全球布局，可見星數(shù)量較少，在2020年BDS完成全球布局后，可見星數(shù)量與GPS、GLONASS類似。圖3為每顆GNSS衛(wèi)星持續(xù)時(shí)間分布情況，最短可見時(shí)間為65 s，最長(zhǎng)為GPS 13號(hào)星可見時(shí)間26 637 s，平均持續(xù)可見時(shí)間為3 232 s。圖4為GNSS可見星的DOP值分布，均值為10.16。

根據(jù)以上分析，GNSS天線±30°內(nèi)增益7 dBic，GNSS接收機(jī)需要達(dá)到-173 dBW，實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星整個(gè)軌道周期可以保證至少7顆可見星，滿足全軌道周期自主定位要求；DOP值的均值為10.16，比低軌軌道場(chǎng)景高一個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)重惡化幾何定位精度；GNSS平均可見持續(xù)時(shí)間為50 min左右，相對(duì)于低軌軌道場(chǎng)景，換星十分頻繁，觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)碎片化特點(diǎn)。

2 高軌GNSS接收機(jī)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)可見性分析結(jié)果，GNSS接收機(jī)需具備弱信號(hào)快速捕獲、穩(wěn)定跟蹤和定軌濾波處理功能。實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星GNSS接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示，GNSS天線接收BDS B1I、GPS L1CA和GLONASS L1導(dǎo)航信號(hào)，通過濾波和放大后，在基帶信號(hào)處理模塊完成信號(hào)捕獲、跟蹤、偽距測(cè)量和定軌處理。

2.2 弱信號(hào)捕獲

為實(shí)現(xiàn)微弱導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲，GNSS接收機(jī)采取長(zhǎng)時(shí)間積分處理的梳狀濾波方法[12]獲得較高的信號(hào)處理增益。弱信號(hào)快速處理模塊主要包括預(yù)處理模塊和搜索引擎模塊，具體見圖6。其中，預(yù)處理模塊主要完成GNSS信號(hào)的下變頻和降采樣等預(yù)處理工作，由慢速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)；搜索引擎模塊主要完成信號(hào)相關(guān)運(yùn)算、非相干累加和峰值搜索過程，由快速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。本文信號(hào)快速捕獲模塊支持強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)兩種搜索模式，通過調(diào)整相干積分時(shí)間和非相干累加次數(shù)分別支持信號(hào)主瓣、旁瓣搜索。

(1)

接收機(jī)系統(tǒng)噪聲溫度Tsys=436.2 K，噪聲功率譜密度N0=-202.20 dBW/Hz。弱信號(hào)模式下，輸入信號(hào)功率C=-173 dBW，實(shí)際載噪比C/N0=29.2 dB·Hz。解調(diào)信噪比S/N與相干處理后帶寬W的關(guān)系：

(2)

式中：S為信號(hào)功率；N為噪聲功率。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，信號(hào)解調(diào)信噪比門限設(shè)置為S/N≥7 dB。結(jié)合實(shí)際載噪比C/N0，可以得到相干處理后帶寬W≤22.2 dB(166 Hz)?；谛盘?hào)動(dòng)態(tài)范圍和信號(hào)相干處理增益的折中考慮，本文弱信號(hào)相干處理后帶寬W取值100 Hz，相干積分時(shí)間10 ms，為進(jìn)一步提高信號(hào)檢測(cè)概率，非相干累加次數(shù)取值為20次。設(shè)置虛警概率設(shè)置為10-7，當(dāng)信號(hào)載噪比為29.2 dBHz，進(jìn)行10 ms相干積分，20次非相干累加，信號(hào)檢測(cè)概率可以達(dá)到99%以上。航天器動(dòng)態(tài)會(huì)造成多普勒頻率變化率增大，為了抵抗動(dòng)態(tài)造成的影響，10 ms相干積分20次非相干積分時(shí)間里，多普勒頻率變化率需≤25 Hz/次，這樣可以抵抗2.4g加速度。同理，針對(duì)強(qiáng)信號(hào)模式，輸入信號(hào)功率C=-160 dBW，實(shí)際載噪比C/N0=42.2 dB·Hz，相干處理后帶寬W≤35.2 dB(3 311 Hz)，本文強(qiáng)信號(hào)相干處理后帶寬W取值1 kHz，相干積分時(shí)間1 ms，非相干累加次數(shù)取值為2次。

捕獲參數(shù)見表2，在弱信號(hào)快速捕獲模式下，在200 ms捕獲時(shí)間內(nèi)，完成頻點(diǎn)搜索40次，頻率步進(jìn)50 Hz，搜索范圍為±1 kHz；在強(qiáng)信號(hào)快速捕獲模式下，在2 ms的時(shí)間內(nèi)，完成頻點(diǎn)搜索14次，頻率步進(jìn)500 Hz，搜索范圍為±3.5 kHz。

表2 捕獲參數(shù)

2.3 弱信號(hào)跟蹤

對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤的主要方法是提高相干積分時(shí)間，但是長(zhǎng)相干積分會(huì)因比特邊沿的變化影響相干增益，導(dǎo)致信噪比損失。本文采取差分相干累加比特同步算法[13-14]，適用于低信噪比、大頻偏下的比特同步。該同步算法在鎖頻環(huán)(Frequency- Locked Loop，F(xiàn)LL)完成同步后，即進(jìn)行比特同步，判定電文數(shù)據(jù)比特邊沿，鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop，PLL)和延遲鎖定環(huán)(Delay-Locked Loop，DLL)均采用已知電文比特邊沿先驗(yàn)信息的20 ms相干積分。弱信號(hào)跟蹤流程見圖7。

弱信號(hào)跟蹤處理主要由FLL、PLL和DLL完成。對(duì)于星載動(dòng)態(tài)環(huán)境，首先由FLL實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)頻率的鎖定，縮小信號(hào)頻率的動(dòng)態(tài)范圍，為PLL跟蹤弱信號(hào)提高相干積分時(shí)間作準(zhǔn)備；隨后環(huán)路轉(zhuǎn)入PLL和DLL，完成對(duì)導(dǎo)航信號(hào)相位和碼相位的鎖定。

微弱導(dǎo)航信號(hào)處理需要增加預(yù)檢積分時(shí)間，減小環(huán)路帶寬，降低噪聲的影響，提高跟蹤處理精度，然而星載動(dòng)態(tài)應(yīng)用需要減小相干積分處理時(shí)間，增大環(huán)路帶寬以適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境造成的影響。本文在環(huán)路參數(shù)上進(jìn)行了折中處理，見表3。

表3 跟蹤環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.4 定軌解算

為提高GNSS接收機(jī)輸出導(dǎo)航信息精度，本文采取一種基于動(dòng)力學(xué)模型補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)展卡爾曼濾波自主定軌算法[15]平滑幾何信息隨機(jī)噪聲誤差，提高航天器位置、速度的實(shí)時(shí)解算精度。影響定軌精度的主要因素包括測(cè)量精度和動(dòng)力學(xué)模型精度?；诟哕壓教炱鞯膽?yīng)用特點(diǎn)，原始偽距測(cè)量結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10 m的測(cè)量精度。動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)設(shè)置見表4。為提高動(dòng)力學(xué)模型精度，定軌處理軟件采取了以下方法：通過擴(kuò)展卡爾曼濾波方法對(duì)前一時(shí)刻軌道估計(jì)的預(yù)報(bào)值進(jìn)行線性化，來減小模型線性化產(chǎn)生的誤差；重力場(chǎng)采用當(dāng)前最高精度的地球重力場(chǎng)模型2008模型(Earth Gravitational Model 2008，EGM2008)，提高保守力的模型精度；對(duì)難以精確模型的太陽(yáng)光壓作為待估參數(shù)，參與濾波估計(jì)；用一階高斯-馬爾科夫隨機(jī)過程模擬補(bǔ)償加速度，并作為待估參數(shù)參與濾波估計(jì)，以吸收攝動(dòng)力模型誤差。

表4 動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)設(shè)置

2.5 測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證GNSS接收機(jī)的性能，本文利用實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星GNSS接收機(jī)搭建半物理仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，采用GNSS8000信號(hào)源模擬實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星軌道，具體軌道參數(shù)參見表1，并將GNSS天線實(shí)測(cè)增益數(shù)據(jù)導(dǎo)入GNSS8000信號(hào)源，半物理仿真驗(yàn)證系統(tǒng)見圖8。定軌軌道位置和速度精度結(jié)果見圖9。

采用基于動(dòng)力學(xué)模型的擴(kuò)展卡爾曼濾波定軌算法，實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星定軌位置精度32.78 m(三軸，1σ)，速度精度0.008 5 m/s(三軸，1σ)。圖10為弱信號(hào)進(jìn)行10 ms相干積分20次非相干累加的檢測(cè)概率測(cè)試結(jié)果，GNSS接收機(jī)在-173 dBW接收功率下捕獲概率能夠達(dá)到94%，-175 dBW接收功率下捕獲概率能夠達(dá)到61%。圖11為偽距測(cè)量精度，GNSS接收機(jī)在-175 dBW功率時(shí)，可以穩(wěn)定跟蹤導(dǎo)航信號(hào)，偽距精度誤差為9.7 m(1σ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采取GPS官方最新公布的導(dǎo)航星發(fā)射天線方向圖，利用STK工具對(duì)實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星信號(hào)可用性進(jìn)行了分析，多導(dǎo)航系統(tǒng)兼容接收時(shí)，可見星數(shù)量在7顆以上，可以實(shí)現(xiàn)全軌道周期連續(xù)定軌，但DOP值均值為10.16，比低軌應(yīng)用場(chǎng)景高一個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)性采取長(zhǎng)時(shí)間積分處理的梳狀濾波方法和差分相干累加比特同步算法，完成強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)兩種模式的捕獲和跟蹤，捕獲靈敏度達(dá)到-173 dBW，跟蹤靈敏度達(dá)到-175 dBW，相比于低軌普通接收機(jī)性能提升13 dB，偽距精度誤差小于10 m。通過動(dòng)力學(xué)模型補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)展卡爾曼濾波自主定軌算法，平滑幾何信息隨機(jī)噪聲誤差，定軌位置精度優(yōu)于50 m(三軸，1σ)，定軌速度精度優(yōu)于0.01 m/s(三軸，1σ)。本文的研究對(duì)于GEO軌道航天器GNSS應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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(編輯：車曉玲)

GNSS receiver techniques based on high earth orbit spacecraft

GAO Yang*，WANG Meng，LIU Lei，CHE Huan，ZHANG Qian

BeijingInstituteofSatelliteInformationEngineering，Beijing100086，China

The visibility of Global Navigation Satellite System (GNSS) applied in high-Earth orbit altitudes dramatically reduces，while space signal power level is weak, and fast signal acquisition and tracking becomes very difficult. For GNSS receiver techniques research，GNSS signals characteristics and availability were analyzed in China′s GEO SJ-17 satellite. Antenna pattern was from the official release. And for high-Earth orbit spacecraft′s GNSS weak signals characteristics，GNSS receiver used long-time integration comb filter method to acquire，took differential coherent bit synchronization method to track and used extended Kalman filter orbit determination based on dynamics. Finally，hardware-in-the-loop tests show that GNSS receiver′s acquisition sensitivity is better than -173 dBW，tracking sensitivity is better than -175 dBW，the position accuracy of orbit determination is better than 50 m，and the velocity is better than 0.01 m/s.

Global Navigation Satellite System；geosynchronous Earth orbit；high sensitivity；receiver

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0015

2016-08-25；

2017-01-11；錄用日期：2017-01-24；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-06-02 08:59:08

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170602.0859.html

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金“月球及深空航天器GNSS微弱信號(hào)處理技術(shù)研究”(616011036)

高陽(yáng)，王猛，劉蕾，等. 基于高軌航天器的GNSS接收機(jī)技術(shù)[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2017，37(3)：101-109.

GAOY，WANGM，LIUL，etal.GNSSreceivertechniquesbasedonhighearthorbitspacecraft[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(3)：101-109(inChinese).

TN967.1

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通訊作者：高陽(yáng)(1985-)，男，碩士，tallergao@126.com，研究方向?yàn)閷?dǎo)航信號(hào)與信息處理