基于箭載GNSS+BDS 定位的測(cè)控設(shè)備自引導(dǎo)技術(shù)

周輝峰，姜忠武，廖清森

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，西昌，615000）

0 引 言

測(cè)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)火箭及衛(wèi)星的軌道測(cè)量、圖像及遙測(cè)監(jiān)視、遙控操作、數(shù)據(jù)注入、飛行控制等，是載人航天八大系統(tǒng)之一，是探月工程五大系統(tǒng)之一，是航天工程不可或缺的重要組成部分。航天測(cè)控站的任務(wù)是直接對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤測(cè)量、遙測(cè)、遙控和通信等，它將接收到的測(cè)量、遙測(cè)信息傳送給航天控制中心，根據(jù)航天控制中心的指示與航天器通信，并配合控制中心完成對(duì)航天器的控制。陸地測(cè)控站通常由跟蹤測(cè)量設(shè)備、遙測(cè)設(shè)備、遙控設(shè)備、通信設(shè)備、監(jiān)控顯示設(shè)備等組成。隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，測(cè)控設(shè)備也在不斷發(fā)展，獨(dú)立的跟蹤測(cè)量設(shè)備、遙測(cè)設(shè)備和遙控設(shè)備已逐步被共用一路載波信道的統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)所代替[1,2]。

中國(guó)已初步具備天基測(cè)控能力，已基本建成天地一體、設(shè)備齊全、任務(wù)多樣的航天測(cè)控網(wǎng)。中國(guó)航天測(cè)控網(wǎng)正在逐步實(shí)現(xiàn)由陸基向天基、由地球空間測(cè)控向深空測(cè)控的拓展[3]。未來(lái)中國(guó)將完善現(xiàn)有航天測(cè)控系統(tǒng)，建設(shè)運(yùn)行第2 代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，構(gòu)建安全可靠、響應(yīng)迅速、接入靈活、運(yùn)行高效、服務(wù)廣泛的天地一體化航天測(cè)控體系[4]。但目前中國(guó)航天測(cè)控網(wǎng)依然存在測(cè)控盲區(qū)，不能做到所有任務(wù)航區(qū)全覆蓋。已經(jīng)覆蓋的區(qū)域?qū)儆诮话艚恿κ礁采w，冗余備份手段不足，一旦個(gè)別站點(diǎn)設(shè)備故障將嚴(yán)重影響區(qū)域測(cè)控能力。對(duì)于航天發(fā)射主動(dòng)段測(cè)控而言，中國(guó)主要發(fā)射中心已基本建立“程引+數(shù)引+自跟蹤”的多體制跟蹤測(cè)量策略。程引模式只在目標(biāo)按照預(yù)定路線飛行時(shí)可用，一旦目標(biāo)偏離路線、飛行超前或滯后都將導(dǎo)致丟失目標(biāo)；數(shù)引模式則利用正常自跟蹤的測(cè)控站的綜合數(shù)據(jù)（含遙測(cè)數(shù)據(jù)、雷達(dá)定位數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)），進(jìn)行飛行目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位，再將定位結(jié)果用于引導(dǎo)其他測(cè)控站點(diǎn)地面設(shè)備跟蹤目標(biāo)，要求所依賴站點(diǎn)自跟蹤穩(wěn)定、各測(cè)控站點(diǎn)與中心數(shù)據(jù)鏈路暢通且時(shí)間高度統(tǒng)一。數(shù)據(jù)、鏈路、時(shí)統(tǒng)任一出現(xiàn)問(wèn)題將導(dǎo)致數(shù)引模式失效。

由于航天器造價(jià)高昂，飛行試驗(yàn)次數(shù)受限，飛行數(shù)據(jù)十分珍貴，每次飛行試驗(yàn)都要求測(cè)控系統(tǒng)完整可靠地獲取飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，提升地面測(cè)控設(shè)備適應(yīng)能力和抗干擾能力，進(jìn)一步提高全航區(qū)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)可靠性是十分必要的。隨著多星座衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的成熟和發(fā)展，目前中國(guó)航天任務(wù)基本都搭載了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）+北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）授時(shí)定位接收機(jī)。本文從測(cè)控站點(diǎn)自身出發(fā)，研究測(cè)控站點(diǎn)地面設(shè)備基于箭載GNSS+BDS定位的自引導(dǎo)、互引導(dǎo)技術(shù)的可行性。該方法的成功應(yīng)用，將為各測(cè)控站點(diǎn)地面設(shè)備的跟蹤測(cè)量開(kāi)辟一道新的引導(dǎo)途徑。即使中心數(shù)引鏈路中斷，測(cè)站基于自身的跟蹤測(cè)量，從下行遙測(cè)數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)解調(diào)出箭載GNSS+BDS 接收機(jī)定位數(shù)據(jù)，進(jìn)行插值外推，并轉(zhuǎn)換為測(cè)站跟蹤引導(dǎo)彈道，應(yīng)用于引導(dǎo)測(cè)控天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。還可以將此引導(dǎo)彈道引導(dǎo)同站其他設(shè)備跟蹤目標(biāo)，提高了測(cè)站地面設(shè)備跟蹤測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)有跟蹤捕獲模式

中國(guó)發(fā)射場(chǎng)主要采用“程引+數(shù)引+自跟蹤”的多體制的跟蹤測(cè)量策略，“初始捕獲”和“丟失重捕”均按“數(shù)引→程引”的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行捕獲，流程如圖1 所示。具備條件的測(cè)站可以先用一個(gè)大波束角的引導(dǎo)天線鎖定跟蹤目標(biāo)，再用以引導(dǎo)小波束角天線跟蹤目標(biāo)。

圖1 現(xiàn)有跟蹤模式流程Fig.1 Flow Chart of Existing Tracking Mode

程序引導(dǎo)模式只能在目標(biāo)按照預(yù)定路線飛行時(shí)（偏離不超過(guò)天線波束角），測(cè)站利用伺服控制系統(tǒng)事先裝填理論彈道引導(dǎo)天線運(yùn)行，當(dāng)飛行目標(biāo)進(jìn)入天線波束角范圍且滿足自跟蹤條件（接收機(jī)鎖定、自動(dòng)增益控制電壓、角誤差電壓等滿足要求），則切換為自跟蹤模式。一旦目標(biāo)飛行偏離理論路線、飛行超前或滯后都將可能導(dǎo)致目標(biāo)丟失，無(wú)法進(jìn)行跟蹤測(cè)量。

中心數(shù)據(jù)引導(dǎo)模式則利用前站已正常自跟蹤設(shè)備的綜合數(shù)據(jù)（含遙測(cè)數(shù)據(jù)、雷達(dá)定位數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)），進(jìn)行飛行目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位解算，再將定位結(jié)果插值擬合后用于引導(dǎo)后站（他站）地面設(shè)備跟蹤目標(biāo)，后站（他站）滿足自跟蹤條件后切換為自跟蹤模式。中心數(shù)據(jù)引導(dǎo)模式遇到地震、泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，該引導(dǎo)模式的通信鏈路保障環(huán)節(jié)容易遭到破壞。

1.2 改進(jìn)后跟蹤捕獲模式

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的成熟和發(fā)展，結(jié)合中國(guó)航區(qū)設(shè)備實(shí)際情況，引入基于箭載GNSS+BDS 定位的遙測(cè)地面設(shè)備自引導(dǎo)模式，改進(jìn)和豐富了原有測(cè)控設(shè)備的跟蹤模式。改進(jìn)后跟蹤策略流程如圖2 所示。在初始捕獲階段增加了同站互引導(dǎo)模式，初始捕獲時(shí)按“數(shù)引→程引→同站引導(dǎo)”的優(yōu)先順序進(jìn)行捕獲。當(dāng)目標(biāo)丟失時(shí)，增加了同站自引導(dǎo)和GNSS+BDS 引導(dǎo)模式，丟失重捕時(shí)按“數(shù)引→同站引導(dǎo)→GNSS+BDS引導(dǎo)→程引”的優(yōu)先順序進(jìn)行捕獲，也可根據(jù)使用者不同習(xí)慣調(diào)整跟蹤捕獲的優(yōu)先級(jí)。

圖2 改進(jìn)后初始捕獲及丟失重捕流程Fig.2 Improved Flow Chart of Initial Acquisition and Lost Retrieval

具有兩套以上設(shè)備的測(cè)控站點(diǎn)才能夠使用同站引導(dǎo)模式，由于遙測(cè)設(shè)備波束角大于雷達(dá)波束角，一般而言，遙測(cè)設(shè)備先于雷達(dá)設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。先發(fā)現(xiàn)并能夠跟蹤目標(biāo)的設(shè)備可以將實(shí)時(shí)角度信息用于引導(dǎo)同站設(shè)備跟蹤捕獲目標(biāo)。在飛行目標(biāo)偏離理論路線且中心數(shù)引模式失效時(shí)，該捕獲模式便成為唯一的引導(dǎo)模式。

1.3 GNSS+BDS 引導(dǎo)算法設(shè)計(jì)

GNSS+BDS 引導(dǎo)采用基于箭載GNSS+BDS 定位的自引導(dǎo)技術(shù)，設(shè)計(jì)算法流程如圖3 所示。地面設(shè)備必須先通過(guò)中心數(shù)據(jù)引導(dǎo)/程序引導(dǎo)/同站引導(dǎo)捕獲目標(biāo)，接收遙測(cè)下行數(shù)據(jù)并解調(diào)；將插播在遙測(cè)幀中的GNSS+BDS 定位數(shù)據(jù)送外測(cè)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)解算；然后將已獲取的目標(biāo)彈道信息進(jìn)行擬合外推；扣除傳輸、處理延時(shí)后，轉(zhuǎn)換為測(cè)站實(shí)時(shí)引導(dǎo)彈道，用于引導(dǎo)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。滿足跟蹤條件后可切換為自跟蹤，自引導(dǎo)彈道實(shí)時(shí)更新，直至任務(wù)弧段結(jié)束。該算法不僅實(shí)現(xiàn)了“遙測(cè)接收-彈道解算-引導(dǎo)天線-自跟蹤”的跟蹤策略，還實(shí)現(xiàn)了“遙測(cè)接收-彈道解算-引導(dǎo)天線”和“遙測(cè)接收-彈道解算-自跟蹤”的實(shí)時(shí)閉環(huán)處理，確保跟蹤的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于時(shí)延計(jì)算而言，箭上遙測(cè)系統(tǒng)處理GNSS+BDS 定位信息、空間傳輸時(shí)延、地面遙測(cè)解算、外測(cè)終端解算的時(shí)延可以通過(guò)解算GNSS+BDS 定位時(shí)刻的相對(duì)時(shí)與地面解算結(jié)束時(shí)刻相對(duì)時(shí)刻做差求取。彈道主動(dòng)段常用擬合法有基于最優(yōu)樣條節(jié)點(diǎn)主動(dòng)段彈道估計(jì)法和分段最小二乘擬合法[5,6]，本文采用多項(xiàng)式最小二乘法擬合，先擬合后外推。然后經(jīng)時(shí)延修正后用于引導(dǎo)天線跟蹤目標(biāo)。

圖3 GNSS+BDS 引導(dǎo)原理流程Fig.3 GNSS + BDS Guidance Principle

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)上述設(shè)計(jì)的跟蹤捕獲策略與基于GNSS+BDS定位的引導(dǎo)算法，結(jié)合中心某測(cè)控設(shè)備，開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證。以某次飛行任務(wù)箭載GNSS+BDS 定位數(shù)據(jù)為例，坐標(biāo)為地心坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)刷新頻率10 Hz。擬合外推算法采用2 次或3 次多項(xiàng)式最小二乘法擬合，擬合刷新頻率與定位解算頻率10 Hz 一致。經(jīng)測(cè)算空間傳輸、各級(jí)處理時(shí)延約100 ms。初始擬合取50 個(gè)點(diǎn)（5 s）定位數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)延估算因外推至當(dāng)前時(shí)刻后200 ms，并根據(jù)實(shí)際需要選擇外推的步數(shù)。當(dāng)定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新時(shí)，進(jìn)行移步擬合實(shí)時(shí)更新當(dāng)前彈道。圖4 為基于箭載GNSS+BDS 定位解算擬合外推50 步（5 s）的引導(dǎo)彈道與實(shí)際跟蹤彈道對(duì)比情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，外推彈道制作的引導(dǎo)彈道與實(shí)際跟蹤彈道是基本吻合的，能夠滿足引導(dǎo)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收遙測(cè)信息。當(dāng)目標(biāo)丟失后也能夠通過(guò)此方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的丟失重捕，該跟蹤策略和引導(dǎo)算法是可行的。

圖4 擬合外推引導(dǎo)彈道與實(shí)際跟蹤彈道對(duì)比Fig.4 Comparison of Fitting & Extrapolating Guided-trajectory with Actual Tracking Trajectory

相對(duì)時(shí)135 s 中心數(shù)引跟蹤目標(biāo)，同時(shí)外測(cè)終端正常解調(diào)GNSS+BDS 接收機(jī)定位數(shù)據(jù)，165 s 轉(zhuǎn)自跟蹤。135～165 s 天線采用中心數(shù)字接收機(jī)自引導(dǎo)數(shù)據(jù)與中心自引導(dǎo)數(shù)是一致。輔助證明了本文算法的正確性。誤差曲線如圖5 所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，方位角誤差統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差較大，正負(fù)最大偏離均比俯仰大，說(shuō)明偏離抖動(dòng)較大，285 s 左右抖動(dòng)明顯，是自跟蹤過(guò)航捷點(diǎn)（飛行軌道在地面的投影離測(cè)量設(shè)備最近點(diǎn)，此時(shí)仰角最高）時(shí)天線抖動(dòng)引起，而非GNSS+BDS 引導(dǎo)算法引起。而自跟蹤俯仰角比理論俯仰角存在約0.18°偏差，可能原因是大地測(cè)量值偏差、天線標(biāo)定標(biāo)校偏差、天線方向圖偏差、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等原因造成，該偏誤差可以通過(guò)提高大地測(cè)量精度、提高天線標(biāo)定標(biāo)校精度和改善天線方向圖等手段修正。誤差統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1 所示。

圖5 擬合外推引導(dǎo)彈道相對(duì)實(shí)際跟蹤彈道的誤差分析Fig.5 Error Analysis of Fitting & Extrapolating Guided-trajectory Relative to Actual Tracking Trajectory

表1 GNSS+BDS 引導(dǎo)彈道相對(duì)自跟蹤誤差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Error Statistics of GNSS+BDS Guided-trajectory Relative to Self-tracking

實(shí)踐表明，有5 s（50 步）以上實(shí)時(shí)定位信息后，該算法可以實(shí)時(shí)引導(dǎo)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，完成引導(dǎo)跟蹤測(cè)量任務(wù)，同時(shí)可以將該引導(dǎo)彈道用于引導(dǎo)同站其他設(shè)備跟蹤目標(biāo)。對(duì)于地面測(cè)量設(shè)備而言，只要接收到5 s（50 步）以上定位信息，即使之后伺服解角誤差鏈路出現(xiàn)故障（如：解角誤差1 kHz 信號(hào)輸出異常），在不依賴中心數(shù)字引導(dǎo)的情況下，測(cè)量站還可以通過(guò)此方法完成跟蹤測(cè)量任務(wù)。需要外推多步時(shí)，采用50 點(diǎn)二次多項(xiàng)式最小二乘法擬合外推50 步或100 點(diǎn)3 次多項(xiàng)式最小二乘法擬合外推100 步有較好的魯棒性，誤差在天線跟蹤波束角范圍內(nèi)。隨著外推步數(shù)越多，誤差越大，超出波束角后可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)丟失。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)不斷深入，空間科學(xué)應(yīng)用需求井噴式發(fā)展，各類(lèi)型航天發(fā)射數(shù)量逐年上升。在軌航天器數(shù)量不斷增加但相應(yīng)測(cè)控資源有限，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、全面保障主動(dòng)段航區(qū)測(cè)控與航天器在軌管控的實(shí)現(xiàn)，成為測(cè)控領(lǐng)域面臨的新考驗(yàn)和亟待解決的新課題。此次研究從航天測(cè)控站自身出發(fā)，研究了測(cè)控地面設(shè)備基于箭載GNSS+BDS 定位的自引導(dǎo)技術(shù)和同站互引導(dǎo)技術(shù)的可行性，試驗(yàn)表明該方法是完全可行的，能夠?yàn)榈孛娓鳒y(cè)控設(shè)備的跟蹤測(cè)量開(kāi)辟一條新的引導(dǎo)與互引導(dǎo)途徑，提高測(cè)站地面設(shè)備跟蹤測(cè)量的自適應(yīng)性、抗破壞性、穩(wěn)定性和可靠性。