CN110986964A - 一种基于地球gnss和月球导航星的月球导航系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，属于导航技术领域。本发明通过在月球轨道增加一颗导航卫星，播发与GNSS兼容的导航信号，联合地球GNSS改善月球用户的观测几何，同时建立地球GNSS导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间的双向时间同步链路，解决用户接收机钟差和径向位置误差无法解耦的问题，提升月球用户实时定位精度。同时在月球重点区域增加月面无线电信标，播发与GNSS兼容的导航信号，进行区域导航性能增强。在增加少量月球导航资源的基础上，能够大幅度提升月球用户导航定位的实时性与精度，为绕月飞行、定点着陆返回、月面巡视提供实时的高精度导航服务，支持紧急情况下的随时机动，并提供超视距月基空间短报文通信。

Description

一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统
技术领域
本发明涉及一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，属于导航技术领域。
背景技术
月球探测后续任务已经从“以科学与工程技术为重点”转变为“以科学研究与资源应用为重点”，该目标对月球用户在环月、月球着陆及上升、月面移动及行走等应用场景中导航的自主性、实时性、导航精度提出了更高的要求。目前月球探测任务的导航技术手段在自主性、实时性及定位精度方面存在较大局限。
GNSS系统利用测距和计时实现天基无线电定位、导航和授时(PNT)功能，能够为地面及低轨用户提供全天候的精确三维位置、三维速度和时间信息。虽然GNSS系统主要针对地面或低空用户设计，但可以通过接收GNSS漏信号实现对月球用户实时定位和时间同步，目前国内外研究机构已经开展了GNSS应用于月球自主导航的研究。
将GNSS应用于月球导航的难点在于：地月空间距离远、链路衰减大，且月球用户主要接收GNSS旁瓣信号，因此可使用的GNSS信号强度极低；GNSS卫星主要集中于月球用户的天顶区域，空间分布相对于月球用户的观测几何极差，造成较大的定位误差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，可以在环月、月球着陆及上升、月面移动行走等多个应用场景中为月球用户提供实时定位信息，满足月球探测后续任务的高自主性、实时性及高精度导航需求，同时为月球空间多用户提供短报文服务。
本发明的技术解决方案是：一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，包括地球GNSS导航星座、月球导航星和月球用户；
所述月球导航星上装载定轨载荷，用于接收地球GNSS导航星座的GNSS导航信号，实现初始定位和授时；同时利用北斗导航星座的北斗Ka星间链路以收发时分的方式建立双向时间比对链路，通过双向时间比对链路与北斗导航星座进行双向时间比对，并在两次双向时间比对的时间间隔内，使用原子钟进行守时，保持月球导航星与地球GNSS导航星座的时间同步，结合月球导航星轨道动力学模型进行轨道滤波实现月球导航星定轨；并通过装载月球导航星的导航信号生成模块，生成并播发与GNSS导航信号兼容的月球导航信号，并在月球导航信号上调制地球GNSS导航星座与月球导航星的星历；
所述月球用户上装载有导航终端，通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位。
进一步地，所述通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位，具体的方法为：月球用户通过导航终端无源接收地球GNSS和月球导航星中不小于四颗卫星的导航信号，实现四星无源实时定位。
进一步地，所述通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位，具体的方法为：月球用户通过导航终端无源接收地球GNSS星座的导航信号，并与月球导航星进行有源双向测量，实现地球GNSS导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间的时间同步，月球用户通过钟差解算实现三星实时定位。
进一步地，还包括月面无线电导航信标；所述月面无线电导航信标位于月球表面预设位置处，其上装载有月面信标导航信号生成模块，生成并播发与GNSS导航信号兼容的导航信号，月球用户同时接收信标导航信号、GNSS导航信号和月球导航信号，提升月球预设位置覆盖区域的导航定位精度。
进一步地，所述预设位置为能够满足对环月需求弧段、着陆器落月上升阶段及月面活动需求区域的覆盖的月面位置。
进一步地，所述地球GNSS导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间构成双向链路，实现以月球导航星为中继的地面与月球用户之间的通信以及多个月球用户之间的通信。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提出了一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统。该系统通过在月球轨道增加一颗导航卫星，播发与GNSS兼容的导航信号，联合地球GNSS改善月球用户的观测几何，同时建立地球GNSS导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间的双向时间同步链路，解决用户接收机钟差和径向位置误差无法解耦的问题，提升月球用户实时定位精度。同时在月球重点区域增加月面无线电信标，播发与GNSS兼容的导航信号，进行区域导航性能增强。在增加少量月球导航资源的基础上，能够大幅度提升月球用户导航定位的实时性与精度，为绕月飞行、定点着陆返回、月面巡视提供实时的高精度导航服务，支持紧急情况下的随时机动，并提供超视距月基空间短报文通信。
具体如下：
1)实现了环月阶段月球用户的高精度实时定位，为紧急情况下的变轨、应急处置提供有力支撑；
2)在月球着陆阶段，可以为着陆器提供10m量级的定位精度，为月球后续“定点落月”任务提供保障；
3)在月面上升及快速自主交会阶段，可以实时对上升器和环月轨道器的进行高精度实时定位，同时月球导航星轨道位置高，对环月飞行器可视性好，从而为两者的交会对接提供超远程精确引导；
4)能够为巡视车及宇航员月面移动行走提供实时高精度位置信息，为月球原位科学研究、资源勘察和应用验证等任务提供支撑。
5)可利用地球GNSS导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间的双向链路进行数据传输，实现超视距月基空间短报文通信。
附图说明
图1是本发明的月球导航星精密定轨方案示意图；
图2是本发明的月球导航系统方案示意图；
图3是本发明的月球导航增强方案示意图；
图4是本发明的月球短报文通信方案示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。
如图1～4，一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，采用“地球GNSS+月球导航星”联合实时导航定位技术方案，月球用户同时接收GNSS与月球导航星播发的导航信号，进行实时四星无源定位或三星有源定位。同时建立
Figure BDA0002339159270000041
即地球GNSS导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间的时间同步链路，并在重点区域采用月面无线电信标导航增强方法，进一步改善用户观测几何，提高实时定位的精度。月球用户通过与月球导航星的双向短报文链路，以导航星为中继进行月球用户与地面、月球用户之间的数据通信。
基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统包括以下部分：
1)基于地球GNSS的月球导航星精密轨道与钟差确定
月球导航星装载精密定轨载荷，接收GNSS导航信号，实现实时初步定位和授时。同时与北斗Ka星间链路建立双向比对链路，解决GNSS导航定位中径向误差与钟差相互耦合的问题，依靠原子钟进行守时，保持月球导航星与GNSS系统的精确时间同步，提升GNSS输出距离、速度观测量的精度，结合月球导航星轨道动力学模型进行轨道滤波实现精密定轨。
2)联合地球GNSS和月球导航星的月球实时导航系统
月球导航星装载导航载荷，播发与GNSS兼容的导航信号，并在信号上调制地球GNSS与月球导航星星历；月球用户装载地月实时导航终端，同时接收地球GNSS与月球导航星播发的导航信号。月球实时导航系统支持两种定位模式：1)单向测量，即月球用户无源接收地球GNSS和月球导航星信号，实现四星无源实时定位；2)双向测量，月球用户无源接收地球GNSS导航信号，并与月球导航星进行有源双向测量，实现
Figure BDA0002339159270000051
三者之间的时间同步，用户直接实现钟差解算，可采用三星实时定位方式，降低卫星观测数目需求，也可采用四星无源定位方式，进一步改善观测PDOP，提升定位精度。
3)重点区域的月面无线电信标导航增强
在环月重点弧段、着陆器落月上升阶段及月面活动重点区域通过铺设月面无线电信标，播发与GNSS兼容的导航信号，增加伪卫星数目，联合地球GNSS、月球导航星和月面无线电信标，改善用户观测几何，进一步提升重点区域的导航定位精度。
4)月球空间的多用户短报文通信
月球导航星采用宽波束天线，覆盖月球表面及其邻近空间；月球用户配置多波束捷变扫描天线，月球用户与导航星建立双向短报文数据链路，链路通信导航一体化融合设计，支持用户相对定位，同时实现以月球导航星为中继的地面与月球用户之间、月球用户之间的双向数据通信。
本发明技术方案包括：
在月球轨道上布置一颗月球导航星，月球导航星装载精密定轨载荷，接收地球GNSS导航信号，实现初始定位和授时。同时利用北斗Ka星间链路扩展服务功能，与北斗Ka星间链路以收发时分的方式建立双向比对链路，通过双向高精度测量将距离与钟差进行解耦，并在两次双向比对的间隔内，依靠小型化原子钟进行短期守时。GNSS与月球导航星的时间同步，解决了导航星定位径向误差与钟差的耦合，提升了输出伪距、速度观测量的精度。并结合轨道动力学模型，进行长时间(如24小时)的轨道滤波定轨，提升定轨精度。
在月球导航星上装载导航信号生成模块，生成并播发与GNSS兼容的导航信号，并在信号上调制地球GNSS与月球导航星星历；
月球用户装载高灵敏度导航接收机，并支持两种定位模式：1)单向测量，即月球用户无源接收地球GNSS和月球导航星信号，实现四星无源实时定位；2)双向测量，月球用户无源接收地球GNSS导航信号，并与月球导航星进行有源双向测量，实现
Figure BDA0002339159270000061
三者之间的时间同步，用户直接实现钟差解算，可采用三星实时定位方式，降低卫星观测数目需求，也可采用四星无源定位方式，进一步改善观测PDOP，提升定位精度；
在月球重点导航区域铺设月面无线电导航信标，信标配置天线、收发信机和时频生产单元，用于生成和播发无线电信标导航信号。信标铺设位置要求满足重点区域的长时间覆盖，联合地球GNSS、月球导航星提升月球重点区域的导航定位精度；
利用地球GNSS、月球导航星与月球用户之间的双向链路，通过导航与短报文通信融合设计，以月球导航星为中继，提供地面与月球用户之间及月球空间多用户之间超远程超视距的短报文通信，支撑航天器指控、远程交会对接等任务。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，其特征在于：包括地球GNSS导航星座、月球导航星和月球用户；
所述月球导航星上装载定轨载荷，用于接收地球GNSS导航星座的GNSS导航信号，实现初始定位和授时；同时利用北斗导航星座的北斗Ka星间链路以收发时分的方式建立双向时间比对链路，通过双向时间比对链路与北斗导航星座进行双向时间比对，并在两次双向时间比对的时间间隔内，使用原子钟进行守时，保持月球导航星与地球GNSS导航星座的时间同步，结合月球导航星轨道动力学模型进行轨道滤波实现月球导航星定轨；并通过装载月球导航星的导航信号生成模块，生成并播发与GNSS导航信号兼容的月球导航信号，并在月球导航信号上调制地球GNSS导航星座与月球导航星的星历；
所述月球用户上装载有导航终端，通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，其特征在于：所述通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位，具体的方法为：月球用户通过导航终端无源接收地球GNSS和月球导航星中不小于四颗卫星的导航信号，实现四星无源实时定位。
3.根据权利要求1所述的一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，其特征在于：所述通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位，具体的方法为：月球用户通过导航终端无源接收地球GNSS星座的导航信号，并与月球导航星进行有源双向测量，实现地球GNSS导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间的时间同步，月球用户通过钟差解算实现三星实时定位。
4.根据权利要求1所述的一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，其特征在于：还包括月面无线电导航信标；所述月面无线电导航信标位于月球表面预设位置处，其上装载有月面信标导航信号生成模块，生成并播发与GNSS导航信号兼容的导航信号，月球用户同时接收信标导航信号、GNSS导航信号和月球导航信号，提升月球预设位置覆盖区域的导航定位精度。
5.根据权利要求4所述的一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，其特征在于：所述预设位置为能够满足对环月需求弧段、着陆器落月上升阶段及月面活动需求区域的覆盖的月面位置。
6.根据权利要求1所述的一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，其特征在于：所述地球GNSS导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间构成双向链路，实现以月球导航星为中继的地面与月球用户之间的通信以及多个月球用户之间的通信。
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