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(wèi)星發(fā)射中心準(zhǔn)時點火發(fā)射。隨后，神舟十二號載人飛船與火箭成功分離，進入預(yù)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(tài)良好，發(fā)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(gòu)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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收機全程利用北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成絕對定位解算，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)米級高精度定位，保障了飛行器單獨飛行任務(wù)；在交會對接段，星載GNSS接收機全程利用北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行載波相位差分解算，實現(xiàn)厘米級高精度的相對測量，有效保障了交會對接任務(wù)的順利完成。這是繼天舟二號任務(wù)之后，我國利用“北斗”載波相位差分技術(shù)實現(xiàn)全自主快速交會對接的第二次在軌實戰(zhàn)應(yīng)用。

1 GNSS測量在空間交會對接任務(wù)中的應(yīng)用

載人航天工程空間交會對接任務(wù)中，我國采用GNSS相對測量，以及雷達、光學(xué)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(xiàn)高精度相對測量。GNSS相對測量由星載GNSS接收機構(gòu)成的相對測量子系統(tǒng)實現(xiàn)。中國空間站建造任務(wù)中，空間站核心艙、載人飛船、貨運飛船，以及未來即將建設(shè)的實驗艙均配備了星載GNSS接收機，完成導(dǎo)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(tǒng)在空間交會對接任務(wù)中，提供遠距離引導(dǎo)和近距離高精度測量服務(wù)，要求具備以下特點：

1）全球覆蓋連續(xù)服務(wù)；

2）遠距離米級相對測量；

3）近距離厘米級高精度穩(wěn)定測量；

4）適應(yīng)空間高動態(tài)環(huán)境；

5）適應(yīng)空間單粒子、電離層特殊環(huán)境。

中國空間站示意

2 “北斗”相對測量子系統(tǒng)的技術(shù)路線

2020年7月，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。2021年5月30日05 : 01，天舟二號貨運飛船精準(zhǔn)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(shù)實現(xiàn)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(wù)的順利完成，是GNSS相對測量子系統(tǒng)利用全面建成的北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)空間高精度導(dǎo)航應(yīng)用的典型代表。

“北斗”相對測量子系統(tǒng)由空間站配備的星載GNSS接收機（目標(biāo)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(biāo)端GNSS接收機接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，提取觀測數(shù)據(jù)，進行絕對定位解算；目標(biāo)端接收機輸出的空空通信數(shù)據(jù)，由空空通信機傳送至追蹤端接收機，追蹤端結(jié)合本地原始觀測數(shù)據(jù)進行差分解算，獲得追蹤端飛行器與目標(biāo)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(shù)的工作原理是利用衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星星歷、電離層延遲等誤差所具有的時空相關(guān)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(shù)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(gòu)成的“北斗”相對測量子系統(tǒng)，根據(jù)基線距離提供不同精度的相對測量服務(wù)。在準(zhǔn)備段100～1000km范圍內(nèi)，提供基本導(dǎo)航服務(wù)，解算精度為米級；在對接段10～100km范圍內(nèi)，提供遠距離引導(dǎo)的偽距差分服務(wù)，解算精度達到亞米級；在100m～10km范圍內(nèi)，提供近距離高精度載波相位差分服務(wù)，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(xù)提供米級精度的基本導(dǎo)航服務(wù)。

“北斗”相對測量子系統(tǒng)在空間交會對接任務(wù)中的服務(wù)過程

3 “北斗”相對測量子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與面臨的挑戰(zhàn)

載波相位差分技術(shù)

星載GNSS接收機在高速運動狀態(tài)下進行信號接收，歷元間極易發(fā)生衛(wèi)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(shù)和模糊度參數(shù)增減的難度，考驗?zāi)：缺O(jiān)測能力。針對以上挑戰(zhàn)，需實施針對性的高精度載波相位差分技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)如下：

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

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

3）偽距載波聯(lián)合解算和序貫最小二乘解算。利用偽距引導(dǎo)載波相位求解，解決載波方程秩虧問題；利用前一歷元和當(dāng)前模糊度及權(quán)值矩陣、系數(shù)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(diào)節(jié)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(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)

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(wèi)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(tài)連續(xù)且高可靠的數(shù)據(jù)。針對以上挑戰(zhàn)，提出測量與定位域數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)，可有效彌補傳統(tǒng)自主完好性監(jiān)測（RAIM）方法在單顆衛(wèi)星故障情況下的瓶頸。同時，對高精度差分的測量數(shù)據(jù)優(yōu)選提供了精準(zhǔn)的決策機制，大幅提高了高動態(tài)環(huán)境下定位結(jié)果的可靠性，其關(guān)鍵技術(shù)包括：

1）測量域偽距監(jiān)測。利用基于軌道預(yù)測的測量前置監(jiān)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(xiàn)對故障星的有效屏蔽。

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

空間環(huán)境干擾抑制技術(shù)

空間復(fù)雜環(huán)境對于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號的影響主要表現(xiàn)為電離層及多徑的影響?？臻g站軌道高度處于電離層F2區(qū)域中電子密度最大的區(qū)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(yán)重。針對以上挑戰(zhàn)，提出空間環(huán)境干擾抑制技術(shù)，通過對在軌數(shù)據(jù)的分析，從接收機信號處理、定位解算監(jiān)控、故障預(yù)測與規(guī)避等多個層面開展針對性抑制和規(guī)避措施設(shè)計，包括：

1）利用自適應(yīng)感知環(huán)境的抗閃爍環(huán)路技術(shù)、多系統(tǒng)兼容接收與故障自主監(jiān)測技術(shù)、高動態(tài)場景下的快速恢復(fù)技術(shù)、抗多徑天線技術(shù)，提高信號接收處理能力。

2）利用基于軌道預(yù)報信息的定軌技術(shù)，多傳感器的融合定位與故障規(guī)避技術(shù)。

3）開展電離層閃爍的預(yù)報與任務(wù)規(guī)劃。

4 結(jié)語

空間交會對接技術(shù)是航天工程中的一項關(guān)鍵技術(shù)，是空間站建設(shè)、載人登月、空間在軌服務(wù)以及星際航行的基礎(chǔ)和保障。相對測量系統(tǒng)是實現(xiàn)空間交會對接任務(wù)的關(guān)鍵組成部分。利用“北斗”載波相位差分技術(shù)實現(xiàn)兩飛行器交會對接，將是未來空間交會對接領(lǐng)域發(fā)展的重要方向，為后續(xù)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(shù)保障，為基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度測量在空間導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。