CN101285687A - 地空天一体化自主导航系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地空天一体化自主导航系统设计方法，它是能应用于飞行器自地面发射到深空探测全过程的自主导航系统设计方法，系统至少包括伪卫星、脉冲星、地面主控站、飞行器等，结合在轨运行的GPS或中国北斗卫星，集成一个自主导航定位的系统整体。前瞻性地将脉冲星这个尚处于物理概念的稳定信号源，融合入深空一体化自主导航的技术范畴。本方法系统性地解决了深空飞行器自主导航的一体化要求，有效实现各种高技术应用的信息融合，满足深空探测活动中飞行器的高精度自主导航应用。同时，也是地面导航定位应用的拓展研究和系统方法的新探索。

Description

地空天一体化自主导航系统设计方法

技术领域：

本发明属于航天器自主导航技术领域，具体指一种地空天一体化自主导航系统设计方法，它利用伪卫星、脉冲星和导航卫星(如GPS或北斗)构建自主导航集成系统来对飞行器进行高精度自主轨道确定、时间同步、姿态控制和导航定位，该系统适用于地面、临近空间、近地轨道和深空等飞行器完成探索任务游历的一切空间部分。

背景技术：

随着空间信息技术的发展，尤其是深空探测的推进，飞行器由地面发射到空间再到深空环境下，对自主导航的需求和新模式新方法的探索，人类始终没有停止过。

目前，已有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中欧的GALILEO和中国的北斗二代等卫星导航定位系统，均处以完善性地建设中。这些均是无线电导航定位系统，通过实时捕获跟踪卫星信号来为地面用户或近空间的机载用户提供全天候全天时高精度的位置、速度和时间等导航信息。

但在接收不到例如GPS卫星信号的室内或被遮蔽的区域，卫星导航系统就无法发挥其导航能力。伪卫星(pseudolite)技术正是弥补这一的缺点的主要方法之一，而且伪卫星可以用于独立定位、增强定位等多种应用系统中。

地磁场是地球系统的基本物理场，直接影响着该系统中一切运动的带电物体或带磁物体的运动学特性。地磁场是地球的固有资源，为航空、航天、航海提供了天然的坐标系，可应用于航天器或舰船的定位定向及姿态控制。利用地球磁场空间分布的磁导航技术简便高效、性能可靠、抗干扰，一直是世界发达国家不可缺少的基本导航定位手段，如自动化程度很高的波音飞机都装载有磁导航定位系统。而磁场导航定位设备在远离地面后，尤其是飞出大气层后，应用效果就会明显下降。

在深空探测活动中，如月球计划和火星计划，甚至更为遥远的太阳系探测活动，对于飞行器来说，导航定位的要求已不能依靠GPS之类的卫星导航了，必须在深空条件下寻找新的参考点。脉冲星是天文物理的范畴，属于基础性和前沿性研究，具有重要的学术研究价值和广阔的工程应用前景。脉冲星具有极其稳定的周期性，毫秒级脉冲星的自转周期变化率达到10^-19～20^-21。其导航的应用已得到了充分的认识，它能够为近地轨道、深空和星际空间飞行器提供位置、速度、时间和姿态等导航信息，实现航天器导航定位的工程应用。目前，国外研究尚处于起步阶段，国内有关脉冲星观测和理论研究已开展了十余年，但主要集中在天文学、天体物理学和时间计量方法等方面的研究。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种自主导航系统设计方法，解决深空飞行器自主导航的问题。

本发明的系统设计方法将伪卫星系统与卫星导航定位系统(GPS、中国北斗)联合，将脉冲星编号后再融入伪卫星/GPS/北斗的联合系统，实现应用覆盖地空天一体化自主导航的系统。它包括：伪卫星与导航卫星的联合，伪卫星与脉冲星的联合，地空天导航的一体化以及深空一体化的信息交互设计方法。其中：

(1)伪卫星与导航卫星的联合导航

如附图1所示，在飞行器102自地面飞向太空的过程中，飞行器102通过自带的信号接收机同时接收来自地面的伪卫星100信号和在轨运行的卫星导航定位系统104、105、106，实现高精度的导航定位。

(2)伪卫星与脉冲星的联合导航

将伪卫星103与脉冲星108、109、110一并进行编号，组成一个新的深空导航网。利用脉冲星具有稳定的已知空间位置、辐射出X射线、自转稳定度高等特点，和飞行器自带的收发一体伪卫星进行信号交互和实现自主导航。

(3)地空天导航的一体化

飞行器102在近空间时，采用地面伪卫星100与卫星导航定位系统104、105、106进行联合定位。若以GPS为例，GPS卫星离地面2万公里，而卫星发射信号是球状向四面发射。因此，飞行器102在飞出地面2万公里的空间后，将分两阶段实现自主导航，第一阶段是卫星导航定位系统104、105、106和脉冲星108、109、110联合导航，第二阶段是脉冲星108、109、110单独导航定位。在第一阶段时，飞行器102打开自带的伪卫星103进行工作。

(4)深空一体化的信息交互

由于飞行器102是自带收发一体伪卫星103而进行工作的，这样就能继续保持地空天信号的一体化交互和自主导航的连续性，也可以继续将飞行状况通过伪卫星103向地面或国际空间站进行交互。在深空探测中太阳位于飞行器和地球之间的位置或飞行方向的视线不佳时，都能继续实现高稳定高可靠的深空自主导航。

本发明的创新点在于：

(1)本发明的系统设计方法首次将收发一体伪卫星103搭载在飞行器102上进行一体化导航系统的设计。其中，伪卫星103与脉冲星108、109、110在深空阶段进行自主导航，并与国际空间站进行信息交互，实现地空天一体化的融合导航。

(2)飞行器102在由自带的伪卫星103和脉冲星108、109、110共同编码的深空导航网中进行自主导航。伪卫星作为信号源是无线电方式，脉冲星作为信号源是其本身辐射出X射线。飞行器的融合处理平台是一种集无线电收发与X射线探测和成像为一体的信号处理平台，最终输出导航参数供飞行器自主导航。

本发明的技术效果：

(1)目前在深空探测方面，中国已达到了登月水平，美国等其它国家达到了登陆火星水平。在这些探测活动中，地面的遥测遥控系统仍是全过程必须的部分，贯穿飞行器探测的始终。而在本发明方法中，深空阶段的飞行器是无需地面信号的遥测遥控。本方法创新地提出了以自带收发型伪卫星为载荷的自主导航系统，为飞行器的全程导航做信号接续和数据收集与预报功能，更大程度地发挥了飞行器在深空中的自主性和提高了对不可预见性问题的及时处理能力。

(2)利用本发明可以对GPS/北斗卫星、伪卫星和脉冲星等组成一体化互补性融合式自主导航，具有高可靠性和高定位精度，以及飞行器的自动避障等自主导航中的自主决策功能。本发明是一种方法创新和集成创新为一体的自主导航技术方法。

(3)本发明中利用地面伪卫星联合GPS/北斗对飞行器进行导航定位，在时间同步、多径效应和远近效应等问题考虑的情况下采用载波相位技术，理论上可以实现飞行器的亚米级三维定位精度。

(4)在深空中，脉冲星的介入，飞行器的定位精度一般为±100米级。而自带的伪卫星将使的这一自主导航定位精度提升为±30米。

附图说明：

图1飞行器自主导航示意图；

图中：100——伪卫星；

      101——地面主控站；

      102——飞行器；

      103——飞行器自带伪卫星；

      104——卫星导航定位系统；

      105——卫星导航定位系统；

      106——卫星导航定位系统；

      107——国际空间站；

      108——脉冲星；

      109——脉冲星；

      110——脉冲星。

图2是一体化自主导航实现的系统流程图。

具体实施方式：

参阅图1、图2，结合深空飞行器的导航需求对本发明方法的具体实施和操作进行案例实施：

(1)深空飞行器102在地面发射到导航定位卫星104、105、106之间的这段空间部分，深空飞行器102的导航定位依靠伪卫星100和导航定位卫星104、105、106，导航卫星104、105、106采用GPS卫星或者中国北斗卫星。在该段的联合定位系统中，伪卫星100需要通过地面主控站101来做时间同步修正、大气层误差修正等。飞行期间，深空飞行器102打开自带的伪卫星103与地面主控站101进行信号交互。

(2)深空飞行器102飞过GPS或北斗卫星104、105、106的轨道，仍接收到卫星信号，此时地面伪卫星100的信号与深空飞行器102脱离。因为，地面伪卫星100的信号无法广播到此时的深空飞行器102。自带伪卫星103继续在联合GPS或北斗卫星104、105、106对深空飞行器102进行导航定位，并逐步实现联合脉冲星108、109、110的自主导航。

(3)深空飞行器102在深空状态下，只能用脉冲星108、109、110和自带伪卫星103进行自主导航。这一段的自主导航，无需与地面设施接续，自带伪卫星103具有收发功能，可以与国际空间站107进行通信和测控。

(4)利用深空飞行器102的融合处理平台，将伪卫星/脉冲星在各阶段飞行的自主导航数据进行记录和实时与国际空间站107交互。

Claims (4)

1.一种深空飞行器自主导航系统设计方法，它采用伪卫星(100)、导航定位卫星(104、105、106)、脉冲星(108、109、110)和飞行器(102)自带伪卫星(103)来构建自主导航系统，其特征在于：

A.飞行器(102)自地面升空飞向太空的过程中，飞行器(102)由自带的伪卫星(103)上的信号接收机、地面的伪卫星(100)、地面主控站(101和在轨运行的卫星导航定位系统(104、105、106)构成的伪卫星与导航卫星的联合导航定位系统来实现高精度的导航定位；

B.飞行器(102)在太空中高度超越卫星导航定位系统(104、105、106)时，飞行器由自带的伪卫星(103)、卫星导航定位系统(104、105、106)和脉冲星(108、109、110)构成的导航定位系统进行导航，当飞行器(102)远离卫星导航定位系统(104、105、106)接收不到它的信号时，飞行器(102)由自带的伪卫星(103)和脉冲星(108、109、110)构成的导航定位系统进行导航。

2.根据权利要求1所述的一种深空飞行器自主导航系统设计方法，其特征在于：所说的导航定位卫星(104、105、106)是GPS导航定位卫星或中国北斗导航定位卫星。

3.根据权利要求1所述的一种深空飞行器自主导航系统设计方法，其特征在于：所说的脉冲星(108、109、110)是X射线脉冲星。

4.根据权利要求1所述的一种深空飞行器自主导航系统设计方法，其特征在于：所说的伪卫星(103)是能够和地面主控站(101)、导航定位卫星(104、105、106)、脉冲星(108、109、110)和国际空间站(107)进行信息交互的伪卫星。

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