CN112558005A - 一种基于反向vlbi的飞行器导航定位方法 - Google Patents

一种基于反向vlbi的飞行器导航定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反向VLBI的飞行器导航定位方法，包括：统一N个地面VLBI测站的时空基准；中心信号发射器发射相干波信号至各地面VLBI测站；各地面VLBI测站将接收到的相干波信号叠加上自身对应的标识信号，形成复合信号；各地面VLBI测站同时向飞行器发送复合信号；飞行器在轨接收各复合信号并根据标识信号区分复合信号对应的VLBI测站；飞行器根据相干波信号形成的干涉信息，获得N‑1个独立的时延观测值和时延率观测值；飞行器根据时延观测值和时延率观测值在轨求解得到定位结果。本方明无双向信号传播的时延，与现有飞行器的导航定位方法相比，定位精度高，具有实时性和自主性，能够满足飞行器在轨道变轨、中途修正等对实时性要求较高的场合的应用需求。

Description

一种基于反向VLBI的飞行器导航定位方法
技术领域
本发明属于飞行器导航定位领域，特别涉及一种基于反向VLBI的飞行器导航定位方法。
背景技术
飞行器的导航定位技术是航天任务中的关键技术之一。在实施高轨、月球空间乃至深空的探测任务时，主要应用于低轨卫星和地球空间大地测量的GPS技术在飞行器上将不再适用。X射线脉冲星导航作为一种新兴天文自主导航技术，具有抗干扰能力强、可靠性高、适用范围广等优点，但飞行器上携带的X射线探测器对工程要求较高，且涉及到的相关技术还处于理论研究和样机研制阶段，距离在实际任务中大规模的成功应用可能还需要较长的时间。
目前，飞行器的导航定位都依赖于双向无线电测量，以得到发射测站和飞行器的距离及多普勒测量值。但是，随着飞行器距离地球越来越远，双向传播的延迟也随之不断增大，基于双向测量的导航定位难以满足实时性要求较高的探测任务需求，尤其是对于飞行器或航天员需要实时的位置信息以安全着陆到目的地的有关导航定位任务。
当前的飞行器导航定位依靠传统的USB系统(属于双向无线电测量技术)，通过测得的伪码测距数据和多普勒测速数据进行定轨，此类双向导航定位方式的主要缺点包括以下几个方面：
(1)当飞行器与地球的距离遥远时，利用三点交会的方法对飞行器进行定位解算，由于三点之间的距离相对飞行器与地球的距离十分小，会导致定位精度很低。
(2)在月球空间乃至深空探测任务中，双向导航信号的传播时延过长，无法保证飞行器的实时性导航定位，不利于执行一些实时性要求较高的任务。
(3)在多个飞行器执行任务时，双向导航方法需要为各个飞行器分配时间，无法同时满足它们的导航定位需求。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有基于双向无线电测量技术的飞行器导航定位方法存在的定位精度低、实时性差、无法对多个飞行器同时导航定位的不足，提供一种基于反向VLBI的飞行器导航定位方法，定位精度高，实时性好，能够实现近地、高轨、月球空间乃至深空领域的飞行器自主导航定位，并且能够满足多个飞行器的同时导航定位需求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于反向VLBI的飞行器导航定位方法，其特点是包括以下步骤：
步骤A，统一N个地面VLBI测站的时空基准，其中，N≥4；
步骤B，中心信号发射器发射相干波信号至各地面VLBI测站；其中，N个地面VLBI测站绕中心信号发射器设置；
步骤C，各地面VLBI测站将接收到的相干波信号叠加上自身对应的标识信号，形成复合信号；其中，各地面VLBI测站对应的标识信号各不相同且标识信号为非周期信号；
步骤D，各地面VLBI测站同时向飞行器发送复合信号，N个地面VLBI测站发送的复合信号中的相干波信号在飞行器处形成空间干涉场；
步骤E，飞行器在轨接收各复合信号；飞行器根据各复合信号中的标识信号，区分复合信号对应的VLBI测站；
步骤F，飞行器根据各复合信号中的相干波信号形成的干涉信息，获得N-1个独立的时延观测值和N-1个对应的时延率观测值；
步骤G，飞行器根据步骤F中获得的时延观测值和时延率观测值在轨求解得到定位结果。
作为一种优选方式，所述步骤A中，利用氢原子钟统一各个VLBI测站的时间基准在UTC时间(Coordinated Universal Time，世界协调时间)。
作为一种优选方式，所述步骤C中，各地面VLBI测站对应的标识信号为幅值互不相同的阶跃信号。
作为一种优选方式，所述步骤F中，针对任意两个VLBI测站O1和O2，该两个VLBI测站O1和O2同时连续发送相干波信号V＝Acosωt，A为相干波信号的幅值，ω为相干波信号的角频率，t为工作时间；
时延观测值和时延率观测值的获取过程如下：
首先，获取飞行器在t1时刻接收到的VLBI测站O1发送的相干波信号Acosωt1，获取飞行器在t1时刻接收到的VLBI测站O2发送的相干波信号Acosω(t1-τ)，其中，τ为VLBI测站O1相对于VLBI测站O2的相干波传输延迟时间；
然后，将Acosωt1和Acosω(t1-τ)两个信号转换为中频信号，对中频信号进行处理后获得干涉条纹幅值p如下：
Figure BDA0002793550610000041
其中，A'为幅度因子；
Figure BDA0002793550610000042
为带宽因子，是相关输出值的包络，且
Figure BDA0002793550610000043
取值在0～1之间；B为常数；ω0为本振角频率，Δτ为几何时延与补偿时延之差；
最后，求得p为最大值时τ的值，即为时延观测值；根据时延观测值求导得到时延率观测值。
作为一种优选方式，所述步骤G包括以下步骤：
步骤G1，针对任意两个VLBI测站Oi和Oj，获得时延观测模型如下：c·τij＝ρi-ρj＝|r(t1)-Ri(t0+τij)|-|r(t1)-Rj(t0)|；
获得时延率观测模型如下：
Figure BDA0002793550610000044
其中，τij为VLBI测站Oi相对VLBI测站Oj的时延，
Figure BDA0002793550610000045
为VLBI测站Oi相对VLBI测站Oj的时延率，ρi为飞行器与VLBI测站Oi之间的距离，ρj为飞行器与VLBI测站Oj之间的距离，r(t1)为飞行器在t1时刻接收信号时的位置矢量，
Figure BDA0002793550610000046
为飞行器在t1时刻接收信号时的速度矢量，Rj(t0)为VLBI测站Oj在t0时刻发射相干波信号时的位置矢量，
Figure BDA0002793550610000051
为VLBI测站Oj在t0时刻发射相干波信号时的速度矢量，Ri(t0+τij)为VLBI测站Oi在t0+τij时刻发射相干波信号时的位置矢量，
Figure BDA0002793550610000052
为VLBI测站Oi在t0+τij时刻发射相干波信号时的速度矢量，c为相干波信号的传播速度；
步骤G2，利用步骤G1中的方法，获得N-1个独立的时延观测模型和N-1个对应的时延率观测模型，联立形成方程组；
步骤G3，求解所述方程组，确定飞行器的位置矢量和速度矢量。
飞行器通过采集并处理来自地面VLBI测站的单向无线电信号来实现自主实时导航，对于实施时效性较强的探测任务具有重要作用与应用价值。
VLBI技术对于远距离目标的导航定位具有很好的优势，能够得到较高的角分辨率，是目前角分辨率最高的导航定位技术，已多次成功应用于月球探测和深空探测任务中，发挥了重要的作用。我国现已建成上海、北京、昆明和乌鲁木齐四个VLBI测站，可组成三条独立基线的VLBI基线网，用于支持中国后续月球探测和深空探测活动的导航定位。
传统VLBI观测的是河外射电源，射电源在同一时刻向四周所辐射的电磁波会形成一个同心的球面波，由于射电源与地球的距离十分遥远，球面波到达地球表面时，可近似看为平行波。但对于反向VLBI技术来说，信号源为各个地面VLBI测站，信号到达飞行器的传播途径不能再看作是平行，所以时延观测值反映了飞行器至两VLBI测站的距离差。
与现有技术相比，本发明的方法可以利用四个及以上地面VLBI测站，通过发射相干波信号和标识信号为其覆盖范围内的飞行器提供导航定位服务；飞行器接收四个及以上地面VLBI测站的标识信号来区分各个地面VLBI测站，利用地面VLBI测站发射的相干波形成的干涉信息得到时延观测值和时延率观测值，通过在轨求解位置和速度矢量，实现对其自身的在轨实时自主定位。因此，本发明可实现其覆盖区域内的多个飞行器的在轨实时自主导航定位，能满足多任务、高轨、月球空间乃至深空探测导航定位的需要。
本方明无双向信号传播的时延，与现有飞行器的导航定位方法相比，定位精度高，具有实时性和自主性，能够满足飞行器在轨道变轨、中途修正等对实时性要求较高的场合的应用需求。
附图说明
图1为飞行器、地面VLBI测站和中心信号发射器位置关系图。
图2为本发明流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明确，以下结合附图，对本方明进一步详细说明。
如图1所示，在本实施例中，本发明的方法需要一个中心信号发射器和四个VLBI测站，用以传播信号。
如图2所示，本发明所述基于反向VLBI的飞行器导航定位方法包括以下步骤：
步骤A，统一N个地面VLBI测站的时空基准。本实施例中，N＝4。利用氢原子钟(其能提供高稳定的频标和时刻信号)统一各个VLBI测站的时间基准在UTC时间(CoordinatedUniversal Time，世界协调时间)。
步骤B，中心信号发射器发射相干波信号至各地面VLBI测站；其中，4个地面VLBI测站绕中心信号发射器设置；
中心信号发射器负责生成相干波信号，并统一分发至各个地面VLBI测站。相干波信号是指满足相干条件的波，相干条件包括频率相同、有恒定的相位差、在叠加处振动方向相同。
步骤C，各地面VLBI测站将接收到的相干波信号叠加上自身对应的标识信号，形成复合信号；其中，各地面VLBI测站对应的标识信号各不相同且标识信号为非周期信号；多个地面VLBI测站各自都配置信号发生器，通过各自的信号发生器产生一非周期信号波作为各自对应的标识信号。各个地面VLBI测站将收到的相干波信号叠加上各自的标识信号，作为区分各个VLBI测站的辨识信息。
所述步骤C中，各地面VLBI测站对应的标识信号为幅值互不相同的阶跃信号。
本实施例中，各个地面VLBI测站同时发射的复合信号中的标识信号由不同幅值的阶跃信号表示，每个地面VLBI测站对应特定幅值的阶跃信号，例如
Figure BDA0002793550610000071
式中，Bi为第i个地面VLBI测站的非周期信号波的幅值。
步骤D，各地面VLBI测站同时向飞行器发送复合信号，N个地面VLBI测站发送的复合信号中的相干波信号在飞行器处形成空间干涉场。
各个地面VLBI测站同时发射的复合信号中，相干波信号模型可以表示为V＝Acosωt，式中，A为相干波信号的幅值，ω为相干波信号的角频率。可在特定区域形成空间干涉场。其中特定区域根据N个地面VLBI测站发射的信号波所能到达的空间范围确定。
步骤E，飞行器在轨接收各复合信号；飞行器根据各复合信号中的标识信号，区分复合信号对应的VLBI测站；即，飞行器根据接收到的不同幅值的阶跃信号，区分该信号来源于哪个地面VLBI测站。
步骤F，飞行器根据各复合信号中的相干波信号形成的干涉信息，获得N-1个独立的时延观测值和N-1个对应的时延率观测值；时延观测值指的是不同地面VLBI测站发射的信号波被飞行器接收时，由于空间距离的不同产生的时间延迟。时延率观测值指的是时延观测值的变化率。
所述步骤F中，针对任意两个VLBI测站O1和O2，该两个VLBI测站O1和O2同时连续发送相干波信号V＝Acosωt，A为相干波信号的幅值，ω为相干波信号的角频率，t为工作时间。
时延观测值和时延率观测值的获取过程如下：
首先，获取飞行器在t1时刻接收到的VLBI测站O1发送的相干波信号Acosωt1，获取飞行器在t1时刻接收到的VLBI测站O2发送的相干波信号Acosω(t1-τ)，其中，τ为VLBI测站O1相对于VLBI测站O2的相干波传输延迟时间；
然后，将Acosωt1和Acosω(t1-τ)两个信号转换为中频信号，对中频信号进行处理后获得干涉条纹幅值p如下：
Figure BDA0002793550610000091
其中，A'为幅度因子；
Figure BDA0002793550610000092
为带宽因子，是相关输出值的包络，且
Figure BDA0002793550610000093
取值在0～1之间；B为根据需要设定的常数；ω0为本振角频率，Δτ为几何时延与补偿时延之差；
最后，求得p为最大值时τ的值，即为时延观测值；根据时延观测值求导得到时延率观测值。当补偿时延为最佳值时，即Δτ为0时，干涉条纹幅度达到最大，利用这点即可测量得到τ的值。通过求解得到时延观测值，进而可以获得时延率观测值
Figure BDA0002793550610000094
步骤G，飞行器根据步骤F中获得的时延观测值和时延率观测值在轨求解得到定位结果。地面N个VLBI测站同时发送相干波信号，理论上飞行器最多可获得N-1个独立的时延观测值和时延率观测值。当VLBI测站个数为4个时，可获得3个独立的时延观测值和时延率观测值，进而可以计算得到飞行器的定位结果。
所述步骤G中飞行器在轨求解定位结果的方法是根据N-1组时延观测值τ和时延率观测值
Figure BDA0002793550610000095
得到飞行器的位置和速度矢量，具体过程为：
步骤G1，针对任意两个VLBI测站Oi和Oj，获得时延观测模型如下：c·τij＝ρi-ρj＝|r(t1)-Ri(t0+τij)|-|r(t1)-Rj(t0)|；
获得时延率观测模型如下：
Figure BDA0002793550610000101
其中，τij为VLBI测站Oi相对VLBI测站Oj的时延，
Figure BDA0002793550610000102
为VLBI测站Oi相对VLBI测站Oj的时延率，ρi为飞行器与VLBI测站Oi之间的距离，ρj为飞行器与VLBI测站Oj之间的距离，r(t1)为飞行器在t1时刻接收信号时的位置矢量，
Figure BDA0002793550610000103
为飞行器在t1时刻接收信号时的速度矢量，Rj(t0)为VLBI测站Oj在t0时刻发射相干波信号时的位置矢量，
Figure BDA0002793550610000104
为VLBI测站Oj在t0时刻发射相干波信号时的速度矢量，Ri(t0+τij)为VLBI测站Oi在t0+τij时刻发射相干波信号时的位置矢量，
Figure BDA0002793550610000105
为VLBI测站Oi在t0+τij时刻发射相干波信号时的速度矢量，c为相干波信号的传播速度；
步骤G2，利用步骤G1中的方法，获得N-1个独立的时延观测模型和N-1个对应的时延率观测模型，联立形成方程组；
步骤G3，求解所述方程组，确定飞行器的位置矢量和速度矢量。
具体地，在本实施例中，地面VLBI测站有4个，构成3条独立的基线矢量，这3条基线不相互平行且不在同一个平面内。传统VLBI观测的是河外射电源，射电源在同一时刻向四周所辐射的电磁波会形成一个同心的球面波，由于射电源与地球的距离十分遥远，球面波到达地球表面时，可近似看为平行波。但对于反向VLBI技术来说，信号源为各个地面VLBI测站，信号到达飞行器的传播途径不能再看作是平行，所以时延观测值反映了飞行器至两VLBI测站的距离差。
以VLBI测站1和VLBI测站2为例，反向VLBI的时延观测模型和时延率观测模型可以表示为：
Figure BDA0002793550610000111
式中τ12和
Figure BDA0002793550610000112
分别表示VLBI测站1相对VLBI测站2的时延和时延率，ρ1和ρ2分别是飞行器与两个VLBI测站之间的距离，r(t1)和
Figure BDA0002793550610000113
分别为飞行器在t1时刻接收信号时的位置和速度矢量，R2(t0)和
Figure BDA0002793550610000114
分别为VLBI测站2在t0时刻发射相干波信号时的位置和速度矢量，R1(t0+τ12)和
Figure BDA0002793550610000115
分别为VLBI测站1在t0+τ12时刻发射相干波信号时的位置和速度矢量，c为相干波信号的传播速度。
因此，由于四个VLBI测站构成三个独立基线，根据三组时延观测值和时延率观测值即可完成飞行器的定位解算，三组时延观测值和时延率观测值构成的方程组可以表示为：
Figure BDA0002793550610000116
Figure BDA0002793550610000117
式中，τ32和
Figure BDA0002793550610000118
分别为VLBI测站3相对VLBI测站2的时延观测值和时延率观测值，τ42和
Figure BDA0002793550610000119
分别为VLBI测站4相对VLBI测站2的时延观测值和时延率观测值，ρ3和ρ4分别为飞行器与地面VLBI测站3和VLBI测站4的之间的距离，R3(t0+τ32)和
Figure BDA00027935506100001110
分别为VLBI测站3在t0+τ32时刻发射相干波信号时的位置和速度矢量，R4(t0+τ42)和
Figure BDA0002793550610000121
分别为VLBI测站4在t0+τ42时刻发射相干波信号时的位置和速度矢量。
通过求解上述方程组，从而可以确定飞行器的位置和速度矢量(飞行器的位置和速度一般是参照地球而言，一般是相对地心参考系)。在实际实施任务时，希望有尽可能多的地面VLBI测站参与，可以增加基线的数目，得到更多的结果，提高定轨的精度。此外，在信号到达的特定区域内，多个飞行器均可利用信号波的相关信息实现自主导航定位。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于反向VLBI的飞行器导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，统一N个地面VLBI测站的时空基准，其中，N≥4；
步骤B，中心信号发射器发射相干波信号至各地面VLBI测站；其中，N个地面VLBI测站绕中心信号发射器设置；
步骤C，各地面VLBI测站将接收到的相干波信号叠加上自身对应的标识信号，形成复合信号；其中，各地面VLBI测站对应的标识信号各不相同且标识信号为非周期信号；
步骤D，各地面VLBI测站同时向飞行器发送复合信号，N个地面VLBI测站发送的复合信号中的相干波信号在飞行器处形成空间干涉场；
步骤E，飞行器在轨接收各复合信号；飞行器根据各复合信号中的标识信号，区分复合信号对应的VLBI测站；
步骤F，飞行器根据各复合信号中的相干波信号形成的干涉信息，获得N-1个独立的时延观测值和N-1个对应的时延率观测值；
步骤G，飞行器根据步骤F中获得的时延观测值和时延率观测值在轨求解得到定位结果。
2.如权利要求1所述的基于反向VLBI的飞行器导航定位方法，其特征在于，所述步骤A中，利用氢原子钟统一各个VLBI测站的时间基准在UTC时间。
3.如权利要求1所述的基于反向VLBI的飞行器导航定位方法，其特征在于，所述步骤C中，各地面VLBI测站对应的标识信号为幅值互不相同的阶跃信号。
4.如权利要求1所述的基于反向VLBI的飞行器导航定位方法，其特征在于，所述步骤F中，针对任意两个VLBI测站O1和O2，该两个VLBI测站O1和O2同时连续发送相干波信号V＝Acosωt，A为相干波信号的幅值，ω为相干波信号的角频率，t为工作时间；
时延观测值和时延率观测值的获取过程如下：
首先，获取飞行器在t1时刻接收到的VLBI测站O1发送的相干波信号A cosωt1，获取飞行器在t1时刻接收到的VLBI测站O2发送的相干波信号Acosω(t1-τ)，其中，τ为VLBI测站O1相对于VLBI测站O2的相干波传输延迟时间；
然后，将Acosωt1和Acosω(t1-τ)两个信号转换为中频信号，对中频信号进行处理后获得干涉条纹幅值p如下：
Figure FDA0002793550600000021
其中，A'为幅度因子；
Figure FDA0002793550600000022
为带宽因子，且
Figure FDA0002793550600000023
取值在0～1之间；B为常数；ω0为本振角频率，Δτ为几何时延与补偿时延之差；
最后，求得p为最大值时τ的值，即为时延观测值；根据时延观测值求导得到时延率观测值。
5.如权利要求1所述的基于反向VLBI的飞行器导航定位方法，其特征在于，所述步骤G包括以下步骤：
步骤G1，针对任意两个VLBI测站Oi和Oj，获得时延观测模型如下：c·τij＝ρi-ρj＝|r(t1)-Ri(t0+τij)|-|r(t1)-Rj(t0)|；
获得时延率观测模型如下：
Figure FDA0002793550600000031
其中，τij为VLBI测站Oi相对VLBI测站Oj的时延，
Figure FDA0002793550600000032
为VLBI测站Oi相对VLBI测站Oj的时延率，ρi为飞行器与VLBI测站Oi之间的距离，ρj为飞行器与VLBI测站Oj之间的距离，r(t1)为飞行器在t1时刻接收信号时的位置矢量，
Figure FDA0002793550600000033
为飞行器在t1时刻接收信号时的速度矢量，Rj(t0)为VLBI测站Oj在t0时刻发射相干波信号时的位置矢量，
Figure FDA0002793550600000034
为VLBI测站Oj在t0时刻发射相干波信号时的速度矢量，Ri(t0+τij)为VLBI测站Oi在t0+τij时刻发射相干波信号时的位置矢量，
Figure FDA0002793550600000035
为VLBI测站Oi在t0+τij时刻发射相干波信号时的速度矢量，c为相干波信号的传播速度；
步骤G2，利用步骤G1中的方法，获得N-1个独立的时延观测模型和N-1个对应的时延率观测模型，联立形成方程组；
步骤G3，求解所述方程组，确定飞行器的位置矢量和速度矢量。
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