CN109696696B - 一种适用于高轨航天器的导航接收机装置 - Google Patents

一种适用于高轨航天器的导航接收机装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高轨道航天器的导航接收机装置和接收方法，其中导航接收机装置包括：多个导航信号接收天线和处理模块。处理模块配置成执行：计算每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息；根据伪距观测值和广播星历，计算导航接收机位置、接收机钟差及所有导航星位置，并从广播星历中获得导航星钟差值；计算出与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc；利用所述伪距观测值和所述接收机钟差、导航星钟差，将在所述平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航信号的伪距观测值去除接收机钟差和导航星钟差，得到校正观测值Ro，然后计算出Ro和Rc之间的差值Ro‑c，从而利用所述导航星信号载噪比确定导航接收机是否受到欺骗信号干扰。

Description

一种适用于高轨航天器的导航接收机装置
技术领域
本发明一般地涉及卫星应用领域。更具体地，本发明涉及一种适用于高轨航天器的导航接收机装置。
背景技术
现代社会，高轨卫星在通信、导航、气象、遥感、预警等方面发挥着越来越重要的作用。随着我国对高轨卫星需求的逐年增加，高轨卫星的自主导航已经成为迫切需要发展的国防关键技术之一。全球卫星导航系统凭借其全球、全天候、连续和高精度的特点，卫星导航接收机能够提高系统在失去地面站支持下的生存能力，显著降低运行成本，在高轨航天器上使用导航接收机成为未来的发展趋势。
卫星导航系统是重要的空间信息基础设施，凭借其全天候工作，定位精度高，功能多的性能而得到广泛应用。北斗导航系统是我国拥有自主知识产权的卫星导航系统，运行轨道分为地球静止轨道(“GEO”)、倾斜地球同步轨道(“IGSO”)和MEO卫星三种。印度INRSS导航系统也在发展之中，导航星座由GEO轨道卫星组成。日本准天定卫星系统(QZSS)的卫星轨道高度也基本与地球同步轨道接近。
由于高轨航天器轨道高度高于导航星座，导航接收机需要接收来自地球对面的导航卫星信号，导航接收天线安装在卫星对地方向，指向地心方向。若在地面或者低轨道卫星上发射导航欺骗信号，当高轨导航接收机收到欺骗信号后，可能会引起接收机所计算出的位置、速度和时间信息偏离真实值，影响卫星正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高轨航天器导航接收机抗欺骗干扰方法，本发明能克服由于地面或者低轨卫星发射导航欺骗干扰信号引起高轨导航接收机导航解算异常的问题，可用于提升高轨导航接收机抗欺骗干扰能力提升，实用性强。
在一个方面中，本发明的技术方案提供一种高轨道航天器的导航接收机装置，包括：
多个导航信号接收天线，其分别布置在高轨航天器的对地方向和水平方向上，其中在所述对地方向上，所述导航信号接收天线的轴向指向地心方向，而在所述水平方向上，所述导航信号接收天线的轴向指向地球静止轨道(“GEO”)/倾斜地球同步轨道(“IGSO”)轨道的导航星方向；
处理模块，其配置成执行：
计算已完成捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息；
根据所述伪距观测值和广播星历，计算导航接收机位置、接收机钟差及所有导航星位置，并从广播星历中获得导航星钟差值；
计算出与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc；
利用所述伪距观测值和所述接收机钟差、导航星钟差，将在所述平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航信号的伪距观测值去除接收机钟差和导航星钟差，得到校正观测值Ro，然后计算出Ro和Rc之间的差值Ro-c；
利用所述导航星信号载噪比，若对地方向连续接收到的IGSO/GEO导航星信号载噪比高于或等于水平方向连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号载噪比，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第一判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
在一个实施例中，处理模块还配置成利用所述导航星信号伪距观测值，计算对地方向连续接收到的IGSO/GEO导航星信号伪距观测值与水平方向连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号伪距观测值之差，若所述差超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第二判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
在一个实施例中，处理模块还配置成根据所述Ro-c值，判断所述水平方向连续接收到的IGSO/GEO导航星伪距观测值的Ro-c值是否超过某设定门限，若超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第三判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
在一个实施例中，处理模块还配置成处理在水平方向上接收的GEO/IGSO两种轨道的导航星信号和在对地方向上接收的MEO/GEO/IGSO三种轨道的导航星信号，以计算已完成捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息。
在一个实施例中，所述处理模块还配置成利用在所述水平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航星位置值，计算出与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc。
在另一个方面中，本发明提供一种高轨道航天器的导航接收方法，包括：
将多个导航信号接收天线分别布置在高轨航天器的对地方向和水平方向上，其中在所述对地方向上，所述导航信号接收天线的轴向指向地心方向，而在所述水平方向上，所述导航信号接收天线的轴向指向地球静止轨道(“GEO”)/倾斜地球同步轨道(“IGSO”)轨道的导航星方向；
计算已完成捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息；
根据所述伪距观测值和广播星历，计算导航接收机位置、接收机钟差及所有导航星位置，并从广播星历中获得导航星钟差值；
计算出与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc；
利用所述伪距观测值和所述接收机钟差、导航星钟差，将在所述平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航信号的伪距观测值去除接收机钟差和导航星钟差，得到校正观测值Ro，然后计算出Ro和Rc之间的差值Ro-c；
利用所述导航星信号载噪比，若对地方向连续接收到的IGSO/GEO导航星信号载噪比高于或等于水平方向连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号载噪比，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第一判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
在一个实施例中，还包括利用所述导航星信号伪距观测值，计算对地方向连续接收到的IGSO/GEO导航星信号伪距观测值与水平方向连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号伪距观测值之差，若所述差超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第二判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
在一个实施例中，还包括根据所述Ro-c值，判断所述水平方向连续接收到的IGSO/GEO导航星伪距观测值的Ro-c值是否超过某设定门限，若超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第三判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
在一个实施例中，其中在水平方向上接收的GEO/IGSO两种轨道的导航星信号和在对地方向上接收的MEO/GEO/IGSO三种轨道的导航星信号，以计算已完成捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息。
在一个实施例中，其中利用在水平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航星位置值，计算出与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc。
通过上述多个方面和实施例，本发明利用两种天线接收到的导航信号入射方向不同，通过相关判断可以确定导航接收机是否受到欺骗信号干扰。因此，本发明可作为用于地球同步轨道高轨航天器上导航接收机识别地面或者低轨卫星发射导航欺骗干扰信号的手段，提高高轨航天器的导航接收机抗欺骗干扰能力。
附图说明
通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：
图1是示出本发明的工作环境的示意图；
图2是本发明的天线增益方向图；以及
图3是根据本发明的导航接收机装置的操作流程图。
具体实施方式
本发明的技术方案通过在地球同步轨道高轨航天器对地方向上安装导航信号接收天线，水平方向上安装导航信号接收天线，水平方向接收天线指向GEO/IGSO轨道导航卫星方向，对地方向接收天线指向地心方向，通过判断两个方向接收天线收到的相对IGSO/GEO导航星信号载噪比大小、伪距观测值之差，以及水平方向接收到的IGSO/GEO导航星伪距观测值的O-C值大小，判定导航接收机是否收到地球或低轨卫星发射的欺骗信号。
下面将结合附图来详细描述本发明的技术方案。
目前导航卫星轨道主要为GEO、IGSO和MEO三种。如图1所示，GEO和IGSO为地球同步轨道，轨道高度约36,000km。MEO轨道轨道高度通常在20,000km左右。当导航接收机工作在地球同步轨道高轨航天器上时，其轨道高于MEO导航卫星，与GEO/IGSO卫星基本处于同一个轨道面上。因此，导航接收机既要接收来自地球对面的卫星导航信号和来自地球侧面导航卫星发射天线的主瓣和旁瓣泄露的信号进行导航解算，也能够处理GEO/IGSO同轨道面导航信号。
本发明针对地球同步轨道高轨航天器，在对地方向和水平方向上分别安装导航信号接收天线。如图1所示，水平安装的导航信号接收天线指向GEO/IGSO轨道的导航星方向，导航接收机水平天线接收处理同轨道面的GEO/IGSO导航星信号。对地方向安装导航信号接收天线指向地心方向，导航接收机利用对地方向接收天线接收处理MEO/GEO/IGSO三种轨道的导航星信号。
在这样的设计中，所选用的卫星导航接收天线增益方向图如图2所示，其增益在±30°内增益优于7dBic，天线增益主要集中在±30°内。因此，水平方向接收天线和对地方向接收天线的波束指向方向明显不同。水平接收天线在对地方向增益基本在-10dBic以下，明显抑制了来自地面或低轨卫星方向的导航干扰信号。
卫星导航接收机设计中，伪距观测值是通过测量卫星信号从发射时刻到接收机接收时刻的时延，然后乘以光速得到距离观测值。传播时延是由接收机内部码跟踪环路通过比较卫星时钟产生的伪噪声码和接收机本地时钟生成的结构完全一致的伪噪声码在相关系数达到最大时得到的。由于两个伪噪声码是由导航星时钟和接收机时钟分别产生的，不可避免地存在时钟同步误差。另外，卫星信号经过电离层和对流层到达接收机时，传播速度将发生变化。因此伪距观测量不等于卫星和接收机之间的真实距离，其观测方程可表示为：
Ro＝Rc-c·δti+c·δtu+δρtrop+δρiono+εP
式中，Ro为卫星i到接收机u的伪距观测值；Rc为卫星信号发射时刻至接收机间的几何距离；δti和δtu分别为导航星钟差和接收机钟差；δρtrop和δρiono分别为对流层和电离层延迟；εP为伪距观测噪声；c为真空中的光速。
由于高轨道导航接收机水平天线接收到的GEO/IGSO导航信号在传播路径上未受到对流层和电离层延迟影响，δρtrop和δρiono值为0。将水平方向天线接收到的每颗GEO/IGSO导航信号的伪距观测值去除接收机钟差和导航星钟差影响，得到的校正观测值Ro，计算过程如下：
Figure BDA0001970443240000061
导航接收机根据伪距观测值和广播星历，可实时接收机位置、接收机钟差及所有导航星位置的解算，并从广播星历中获得导航星钟差值。根据接收机位置和导航星位置信息，可以计算出水平方向天线接收到的每颗GEO/IGSO导航星位置值和接收机位置之间的几何距离值Rc，然后计算出Ro和Rc差值，即Ro-c；
当水平方向天线连续接收并处理的IGSO/GEO导航星信号时，由于高轨导航接收机轨道和IGSO/GEO轨道基本处于同一轨道面上，此时的IGSO/GEO导航星处于水平天线波束范围内，水平天线接收到的IGSO/GEO导航星信号强度高于对地方向信号强度。当地面或低轨卫星发射包含此IGSO/GEO导航星的欺骗信号功率较大时，会造成接收机对地方向连续接收到的此IGSO/GEO导航星信号载噪比高于或等于水平方向天线连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号载噪比。因此，可通过判断对地方向天线连续接收到的IGSO/GEO导航星信号载噪比高于或等于水平方向天线连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号载噪比，来确定导航接收机受到欺骗信号干扰。
当地面或低轨卫星发射包含IGSO/GEO导航星的欺骗信号功率较小时，接收机对地方向连续接收到的此IGSO/GEO导航星信号载噪比低于水平方向天线连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号载噪比。但水平天线和对地方向天线收到的相同IGSO/GEO导航星号的伪距观测值会存在差异。因此，计算对地方向天线连续接收到的IGSO/GEO导航星信号伪距观测值与水平方向天线连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号伪距观测值之差，若连续10次超出设定门限值(如本实施例中选取20m)，则确定导航接收机受到欺骗信号干扰。
当水平方向天线连续接收并处理的IGSO/GEO导航星信号，但与对地方向天线也连续接收并处理导航星信号不同时，计算出水平方向天线接收到的每颗GEO/IGSO导航星Ro-c，其是否超过某设定门限(如本实施例中选取50m)，若连续10次超出设定门限值，则确定导航接收机受到欺骗信号干扰。
图3是根据本发明的导航接收机装置的操作流程图。如上文所述，本发明的技术方案在地球同步轨道高轨航天器上，对地方向安装导航信号接收天线，天线轴向指向地心方向。在水平方向安装导航信号接收天线，天线轴向指向GEO/IGSO轨道的导航星方向。基于这样的天线布置，所述操作流程示例性地包括以下步骤：
在步骤S301和S302处，导航接收机在水平天线上接收处理GEO/IGSO两种轨道的导航星信号，在对地方向天线上接收处理MEO/GEO/IGSO三种轨道的导航星信号；
在步骤S303处，导航接收机计算出已捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息；
在步骤S304处，导航接收机利用步骤S303中伪距观测值和广播星历，完成导航接收机位置、接收机钟差及所有导航星位置的解算，并从广播星历中获得导航星钟差值；
在步骤S305处，利用步骤S304中水平方向天线接收到的每颗GEO/IGSO导航星位置值，计算出与导航接收机位置之间的几何距离值Rc；
在步骤S306处，利用步骤S303中伪距观测值和步骤S304中接收机钟差、导航星钟差，将水平方向天线接收到的每颗GEO/IGSO导航信号的伪距观测值去除接收机钟差和导航星钟差，得到的校正观测值Ro，然后计算出Ro和Rc差值，即Ro-c；
在步骤S307处，利用步骤S303中计算的导航星信号载噪比，若对地方向天线连续接收到的IGSO/GEO导航星信号载噪比(记作CNRie，i代表某颗导航星，e代表天线对地指向)高于或等于水平方向天线连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号载噪比(记作CNRih，i代表某颗导航星，h代表天线对地指向)，即CNRie≧CNRih，则导航接收机受到欺骗信号干扰的判据1成立；
在步骤S308处，利用步骤S303中计算导航星信号伪距观测值，计算对地方向天线连续接收到的IGSO/GEO导航星信号伪距观测值(记作Rie，i代表某颗导航星，e代表天线对地指向)与水平方向天线连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号伪距观测值之差(记作Rih，i代表某颗导航星，h代表天线对地指向)，若超出设定门限值，即Rie-Rih≧Th1，则导航接收机受到欺骗信号干扰的判据2成立；
在步骤S309处，根据步骤S306中计算的Ro-c值，通过判断水平方向天线连续接收到的IGSO/GEO导航星伪距观测值的Ro-c值，是否超过某设定门限,即Ro-c≧Th2，若超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的判据3成立；
在步骤S310处，当判据1、判据2或判据3的某一个判据成立，则可确定导航接收机受到欺骗信号干扰。至此，在步骤S311处，流程处理结束。
另外，根据本发明的高轨道航天器的导航接收机装置可以包括多个导航信号接收天线和处理模块，其中处理模块可以配置成执行根据本发明的实施例所描述的各种操作，以确定导航接收机是否受到欺骗信号的干扰。
虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种高轨道航天器的导航接收机装置，包括：
多个导航信号接收天线，其分别布置在高轨航天器的对地方向和水平方向上，其中在所述对地方向上，所述导航信号接收天线的轴向指向地心方向，而在所述水平方向上，所述导航信号接收天线的轴向指向地球静止轨道(“GEO”)/倾斜地球同步轨道(“IGSO”)轨道的导航星方向；
处理模块，其配置成执行：
计算已完成捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息；
根据所述伪距观测值和广播星历，计算导航接收机位置、接收机钟差及所有导航星位置，并从广播星历中获得导航星钟差值；
计算出导航星与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc；
利用所述伪距观测值和所述接收机钟差、导航星钟差，将在所述平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航信号的伪距观测值去除接收机钟差和导航星钟差，得到校正观测值Ro，然后计算出Ro和Rc之间的差值Ro-c；
利用所述导航星信号载噪比，若对地方向连续接收到的IGSO/GEO导航星信号载噪比高于或等于水平方向连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号载噪比，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第一判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
2.根据权利要求1所述的导航接收机装置，其中所述处理模块还配置成利用所述导航星信号伪距观测值，计算对地方向连续接收到的IGSO/GEO导航星信号伪距观测值与水平方向连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号伪距观测值之差，若所述差超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第二判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
3.根据权利要求1或2所述的导航接收机装置，其中所述处理模块还配置成根据所述Ro-c值，判断所述水平方向连续接收到的IGSO/GEO导航星伪距观测值的Ro-c值是否超过某设定门限，若超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第三判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
4.根据权利要求1所述的导航接收机装置，其中所述处理模块还配置成处理在水平方向上接收的GEO/IGSO两种轨道的导航星信号和在对地方向上接收的MEO/GEO/IGSO三种轨道的导航星信号，以计算已完成捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息。
5.根据权利要求1所述的导航接收机装置，其中所述处理模块还配置成利用在所述水平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航星位置值，计算出与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc。
6.一种高轨道航天器的导航接收方法，包括：
将多个导航信号接收天线分别布置在高轨航天器的对地方向和水平方向上，其中在所述对地方向上，所述导航信号接收天线的轴向指向地心方向，而在所述水平方向上，所述导航信号接收天线的轴向指向地球静止轨道(“GEO”)/倾斜地球同步轨道(“IGSO”)轨道的导航星方向；
计算已完成捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息；
根据所述伪距观测值和广播星历，计算导航接收机位置、接收机钟差及所有导航星位置，并从广播星历中获得导航星钟差值；
计算出导航星与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc；
利用所述伪距观测值和所述接收机钟差、导航星钟差，将在所述平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航信号的伪距观测值去除接收机钟差和导航星钟差，得到校正观测值Ro，然后计算出Ro和Rc之间的差值Ro-c；
利用所述导航星信号载噪比，若对地方向连续接收到的IGSO/GEO导航星信号载噪比高于或等于水平方向连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号载噪比，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第一判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
7.根据权利要求6所述的导航接收方法，还包括利用所述导航星信号伪距观测值，计算对地方向连续接收到的IGSO/GEO导航星信号伪距观测值与水平方向连续接收到的相同IGSO/GEO导航星信号伪距观测值之差，若所述差超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第二判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
8.根据权利要求6或7所述的导航接收方法，还包括根据所述Ro-c值，判断所述水平方向连续接收到的IGSO/GEO导航星伪距观测值的Ro-c值是否超过某设定门限，若超出设定门限值，则导航接收机受到欺骗信号干扰的第三判据成立，从而确定所述导航接收机受到欺骗信号干扰。
9.根据权利要求6所述的导航接收方法，其中在水平方向上接收的GEO/IGSO两种轨道的导航星信号和在对地方向上接收的MEO/GEO/IGSO三种轨道的导航星信号，以计算已完成捕获跟踪的每颗导航星信号的载噪比、伪距观测值，以及导航星广播星历信息。
10.根据权利要求6所述的导航接收方法，其中利用在所述水平方向上接收到的每颗GEO/IGSO导航星位置值，计算出与所述导航接收机位置之间的几何距离值Rc。
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