CN115494448A - 基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法 - Google Patents

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CN115494448A CN202211035881.1A CN202211035881A CN115494448A CN 115494448 A CN115494448 A CN 115494448A CN 202211035881 A CN202211035881 A CN 202211035881A CN 115494448 A CN115494448 A CN 115494448A
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Abstract

本发明提出一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，利用预先放置在月球表面的单个无线电信标对月球着陆器的距离、方位、速度进行相对测量，结合无线电信标位置，完成对着陆器的位置估计。本发明可用于月球探测场景中的着陆器着陆导航定位任务中，在地面测控站以及环绕器无法实时支持的情况下，仅通过星体表面的单个无线电信标实现对着陆器的测向、测距、测速以及通信定位一体化，引导着陆器渐进安全着陆，为提高着陆器在进入、下降与着陆阶段中的定位精度提供了新的解决途径。

Description

基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法
技术领域
本发明涉及深空探测导航领域，具体地，涉及一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法。
背景技术
月球着陆器的精确着陆是开展月球探测及采样返回的首要前提。在月球探测中，月球距离地球较远，探测器与地球的通信延迟较高，难以利用地面探测系统对着陆器的着陆过程进行实时测控导航。传统着陆器着陆过程大多采用惯性导航方法进行，如美国的Apollo、日本的Selene-B等，但惯性导航定位误差随时间积累，无法满足精确着陆任务对导航精度的需求。在我国探月任务中，利用视觉导航对惯性导航误差进行修正，但该技术需要构建着陆区的高分辨率图像数据库，并且受光线、相机视角、扬尘等因素影响，应用场景受到极大限制。
未来月球探测任务主要集中于月球资源开发以及载人登月方面，为了解决月球着陆器高精度着陆难题，美国、俄罗斯以及我国均在研究基于无线电信标导航的月球着陆器着陆方法，但是，当前研究成果中，大多需要在着陆轨迹两侧布置多个信标，通过着陆器与信标之间测距、测速的方式引导着陆器着陆，该类方案中对多个信标的几何布局要求较高，而月面信标主要靠无人探测任务以及月面基地进行预先布置，信标布置难度较大。为了对月球进行持续开发，可以通过在月球表面放置单个无线电信标的方式对着陆器着陆阶段进行导航，针对此，亟需提出一种适用于月球着陆器着陆阶段的单信标无线电高精度定位方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，提高月球着陆器着陆阶段的定位精度，本发明提供了一种基于无线电合作信号的月球着陆器定位方法，该方法利用预先放置在月球表面的单个无线电信标对月球着陆器的距离、方位、速度进行相对测量，结合无线电信标位置，完成对着陆器的位置估计，大幅提高月球着陆器的定位精度。
本发明的技术方案为:
一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，包括以下步骤：
步骤1：在月球表面固定单个无线电信标，所述单个无线电信标为具有3阵元的L型直角天线阵，以天线阵直角顶点为坐标原点，两条直角边分别为x轴与y轴，在世界坐标系O-XYZ中建立本地坐标系o-xyz，3个阵元坐标分别为A0＝(0,0,0)、A1＝(d,0,0) 和A2＝(0,d,0)，天线间间距d＜λ/2，λ为无线电信标与着陆器之间通信的信号波长，无线电信标在发射状态时，A0阵元进行信号发射，在接收状态时，3个阵元都处于接收状态；
步骤2：着陆器上配置天线与无线电信标进行通信，无线电信标与着陆器之间采用猝发通信方式；着陆器在未与无线电信标建立通信链路时，着陆器播发搜寻信号，无线电信标接收到着陆器的搜寻信号后，发送应答信号，着陆器接收到无线电信标的应答信号后，停止发送搜寻信号，转而发送定位信号；
步骤3：着陆器发送定位信号s1时记录发送时刻为ts,1；无线电信标中的3个阵元A0、A1和A2分别对接收到的s1信号进行解调、捕获、跟踪和同步，分别记录接收到的 s1信号的时刻t1,0、t1,1和t1,2，无线电信标接收到信号s1的时刻为tr,1＝(t1,0+t1,1+t1,2)/3；
步骤4：无线电信标在接收定位信号中的测向信息时，每个阵元每接收到1个数据码信息时，就解算一次接收到s1信号的相位θi,0、θi,1和θi,2以及频率fi,0、fi,1和fi,2，其中1≤i≤k，k为测向信息中包含的数据码数；计算无线电信标接收到信号s1的频率为
Figure BDA0003818948060000021
第j个阵元接收到s1的相位为
Figure BDA0003818948060000022
步骤5：将阵元A0分别与阵元A1、A2组成两个基线，以阵元A0为参考天线，分别计算天线A0与A1、A0与A2之间的相位差：φ1＝θ1-θ0，φ2＝θ2-θ0；
步骤6：计算来波信号s1的俯仰角β和方位角α：
Figure BDA0003818948060000031
步骤7：无线电信标在接收到信号s1后，延迟固定时间Δt，在时刻tr,1+Δt发送定位响应信号u1，u1信号的调制方式、频率与信号s1相同，在u1信号中将解算得到的方位角α、俯仰角β以及接收频率fr,1等信息调制在数据码中，发送给着陆器；着陆器接收到无线电信标的定位响应信号u1后，记录接收到u1信号的时刻tu,1，并解算出u1信号的频率fu,1；
步骤8：计算着陆器与无线电信标之间相对运动引起的多普勒频移fd：
fd＝(fr,1+fu,1-2f)/2
并根据多普勒频移fd计算着陆器与无线电信标之间的视向速度vi：
Figure BDA0003818948060000032
并且还计算着陆器与无线电信标之间的频差ferr：
ferr＝(fu,1-fr,1)/2
步骤9：利用着陆器与无线电信标之间的频差信息，计算tu,1时刻着陆器与无线电信标之间的距离D：
Figure BDA0003818948060000033
利用计算得到的距离信息D、俯仰角β以及方位角α，计算着陆器在本地坐标系中的坐标信息(x,y,z)
Figure BDA0003818948060000034
步骤10：着陆器与无线电信标之间周期性的执行步骤3～步骤9，实现着陆器的高精度位定位，引导着陆器安全着陆。
进一步的，空闲情况下，无线电信标处于间歇工作模式，正常工作tw时间，休眠tp时间，以此往复，在无线电信标接收到着陆器搜寻信号后，由间歇模式转为连续工作模式。
进一步的，无线电信标与着陆器之间采用扩频通信体制，其信号模型为：
s(t)＝(C(t)D(t))cos(2πft)
其中，C(t)和D(t)分别为扩频码和数据码，f为信号的调制频率，1个扩频码周期上调制1个数据码。
进一步的，搜寻信号的帧格式由长引导段、同步头段以及数据段三段组成；定位信号的帧格式由短引导段、同步头段、数据段以及测向段四段组成；应答信号的帧格式由短引导段、同步头段以及数据段三段组成；其中长引导段、短引导段以及测向段上调制的数据码信息均为0，长引导段由n个数据码组成，短引导段由m个数据码组成，有n≥m+tp/Tc，Tc为发射1个数据码所需要的时长，测向段由k个数据码组成，同步头段由固定数据组成。
进一步的，数据段采用BCH(15,11,1)码加交织方式进行纠错，BCH码长为15bit，信息位为11bit，纠错能力1bit，生成多项式为：
g(x)＝x4+x+1。
进一步的，m≥200，以满足正常工作时的定位捕获时间要求。
进一步的，完成着陆器着陆后，无线电信标重新进入间歇工作模式。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可用于月球探测场景中的着陆器着陆导航定位任务中，在地面测控站以及环绕器无法实时支持的情况下，仅通过星体表面的单个无线电信标实现对着陆器的测向、测距、测速以及通信定位一体化，引导着陆器渐进安全着陆，为提高着陆器在进入、下降与着陆阶段中的定位精度提供了新的解决途径。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明无线电信标引导着陆器渐进着陆示意图；
图2是本发明无线电信标三阵元L型直角天线阵测向示意图；
图3是本发明着陆器与无线电信标之间双向测距原理示意图。
具体实施方式
目前基于无线电信标导航的月球着陆器着陆方法都是采用多个信标的布置方案，存在对多个信标的几何布局要求较高，信标布置难度较大的问题；为此本发明提供了一种基于无线电合作信号的月球着陆器定位方法，该方法利用预先放置在月球表面的单个无线电信标对月球着陆器的距离、方位、速度进行相对测量，结合无线电信标位置，完成对着陆器的位置估计，大幅提高月球着陆器的定位精度。
具体包括以下过程：
(1)如图1所示，无线电信标固定在月球表面，配置有图2所示3阵元L型直角天线阵A0、A1和A2，以天线阵直角顶点A0为坐标原点，以直角边A0A1为x轴， A0A2为y轴，在世界坐标系O-XYZ中建立本地坐标系o-xyz，3个阵元坐标分别为 A0＝(0,0,0)、A1＝(d,0,0)和A2＝(0,d,0)，为了避免相位模糊现象，天线间间距选择为 d＜λ/2，λ为无线电信标与着陆器之间通信的信号波长，无线电信标在发射状态时，A0阵元进行信号发射，在接收状态时，3个阵元都处于接收状态。
(2)月球表面主要靠太阳能对蓄电池进行充电，为了降低无线电信标能耗，延长其工作时间，空闲情况下，无线电信标处于间歇工作模式，即正常工作tw时间，休眠tp时间，以此往复，在无线电信标接收到着陆器搜寻帧指令后，由间歇模式转为连续工作模式。
(3)月球着陆器着陆过程为逐渐引导着陆，当着陆器距离无线电信标较远时，无线电信标接收到着陆器信号较弱，为了加大无线电信标对着陆器的作用距离，提高弱信号测距测向精度，无线电信标与着陆器之间采用扩频通信体制，其信号模型为：
s(t)＝(C(t)D(t))cos(2πft) (9)
式(9)中，C(t)和D(t)分别为扩频码和数据码，f为信号的调制频率，1个扩频码周期上调制1个数据码。
(4)该系统通信方式为猝发通信，着陆器根据不同阶段播发搜寻帧与定位帧，无线电信标在接收到着陆器信号后，回复相应的应答帧信号，其中，搜寻帧帧格式由长引导段、同步头段以及数据段三段组成，主要用于搜索并唤醒无线电信标，定位帧帧格式由短引导段、同步头段、数据段以及测向段四段组成，主要用于实现无线电信标对着陆器的测距测向，应答帧帧格式由短引导段、同步头段以及数据段三段组成，为无线电信标对着陆器的应答信息及返回测量结果。
(5)步骤(4)中的长引导段、短引导段以及测向段上调制的数据码信息均为0，其中长引导段由n个数据码组成，短引导段由m个数据码组成，m的选取应考虑系统正常工作时的捕获时间，通常m≥200，为了保证搜寻帧能够顺利激活无线电信标，有 n≥m+tp/Tc，Tc为发射1个数据码所需要的时长，测向段由k个数据码组成。
(6)同步头段由固定数据组成，数据段采用BCH(15,11,1)码加交织方式进行纠错，BCH码长为15bit，信息位为11bit，纠错能力1bit，生成多项式为：
g(x)＝x4+x+1 (10)
(7)着陆器上配置1个天线用于与无线电信标进行通信，着陆器在进入、下降与着陆过程中，周期性的发送搜寻帧信号；
(8)无线电信标接收到着陆器的搜寻信号后，发送应答信号，从间歇工作模式转为连续工作模式，着陆器接收到无线电信标的应答信号后，表明着陆器与无线电信标已成功建立通信链路，着陆器停止发送搜寻信号。
(9)如图3所示，着陆器发送定位帧信号s1，并记录发送时刻为ts,1。
(10)无线电信标中的3个阵元A0、A1和A2分别对接收到的s1信号进行解调、捕获、跟踪和同步，分别记录接收到的s1信号的时刻t1,0、t1,1和t1,2，无线电信标接收到信号s1的时刻为tr,1＝(t1,0+t1,1+t1,2)/3。
(11)为了提高无线电信标测向精度，无线电信标在接收定位帧测向段信息时，每个阵元在每接收到1个数据码信息时解算一次接收到s1信号的相位θi,0、θi,1和θi,2，有1≤i≤k。
(12)无线电信标长时间滞留在月球表面，其晶振老化严重，外加上月球表面昼夜温差较大，也会影响无线电信标的晶振准确度，为了提高测距精度，无线电信标在接收定位帧测向段信息时，每个阵元在每接收到1个数据码信息时解算一次接收到s1信号的频率fi,0、fi,1和fi,2，有1≤i≤k。
(13)无线电信标接收到信号s1的频率为
Figure BDA0003818948060000071
第j个阵元接收到s1的相位为
Figure BDA0003818948060000072
(14)将阵元A0分别与阵元A1、A2组成两个基线，以阵元A0为参考天线，分别计算天线A0与A1、A0与A2之间的相位差：φ1＝θ1-θ0，φ2＝θ2-θ0。
(15)计算来波信号s1的俯仰角β和方位角α：
Figure BDA0003818948060000073
(16)无线电信标在接收到信号s1后，延迟固定时间Δt，在时刻tr,1+Δt发送定位响应信号u1，u1信号的调制方式、频率与s1相同，在u1信号中将解算得到的方位角α、俯仰角β以及接收频率fr,1等信息调制在数据码中，发送给着陆器。
(17)着陆器接收到无线电信标的定位响应信号u1后，记录接收到u1信号的时刻tu,1，并解算出u1信号的频率fu,1。
(18)月球着陆器在进入以及下降过程中，仍然具有较高的运行速度，会降低双向测距算法的精度，需要对其进行补偿，因此，计算着陆器与无线电信标之间相对运动引起的多普勒频移fd：
fd＝(fr,1+fu,1-2f)/2 (12)
(19)根据步骤(18)计算得到的多普勒频移，计算着陆器与无线电信标之间的视向速度vi：
Figure BDA0003818948060000081
(20)着陆器与无线电信标之间的频差也是影响测距精度的重要因素之一，根据步骤(12)～(13)以及步骤(17)得到的双向频率测量信息，可以计算着陆器与无线电信标之间的频差ferr：
ferr＝(fu,1-fr,1)/2 (2)
(21)考虑着陆器在发信号与收信号之间的相对位移信息，以及着陆器与无线电信标之间的频差信息，根据双向测距原理，计算tu,1时刻两者之间的距离D：
Figure BDA0003818948060000082
(22)根据计算得到的距离信息D、俯仰角β以及方位角α等信息，计算着陆器在本地坐标系中的坐标信息(x,y,z)：
Figure BDA0003818948060000083
(23)着陆器在进入、下降与着陆过程中，经过步骤(7)和(8)，与星体表面的无线电信标建立起通信连接后，着陆器与无线电信标之间周期性的执行步骤(9)～(22)，实现着陆器的高精度位定位，引导着陆器安全着陆，在完成着陆器着陆后，无线电信标重新进入间歇工作模式。
本发明实现了在地面测控站以及环绕器无法实时支持的情况下，仅通过星体表面的单个无线电信标实现对着陆器的测向、测距、测速以及通信定位一体化，引导着陆器渐进安全着陆，为提高着陆器在进入、下降与着陆阶段中的定位精度提供了新的解决途径。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在月球表面固定单个无线电信标，所述单个无线电信标为具有3阵元的L型直角天线阵，以天线阵直角顶点为坐标原点，两条直角边分别为x轴与y轴，在世界坐标系O-XYZ中建立本地坐标系o-xyz，3个阵元坐标分别为A0＝(0,0,0)、A1＝(d,0,0)和A2＝(0,d,0)，天线间间距d＜λ/2，λ为无线电信标与着陆器之间通信的信号波长，无线电信标在发射状态时，A0阵元进行信号发射，在接收状态时，3个阵元都处于接收状态；
步骤2：着陆器上配置天线与无线电信标进行通信，无线电信标与着陆器之间采用猝发通信方式；着陆器在未与无线电信标建立通信链路时，着陆器播发搜寻信号，无线电信标接收到着陆器的搜寻信号后，发送应答信号，着陆器接收到无线电信标的应答信号后，停止发送搜寻信号，转而发送定位信号；
步骤3：着陆器发送定位信号s1时记录发送时刻为ts,1；无线电信标中的3个阵元A0、A1和A2分别对接收到的s1信号进行解调、捕获、跟踪和同步，分别记录接收到的s1信号的时刻t1,0、t1,1和t1,2，无线电信标接收到信号s1的时刻为tr,1＝(t1,0+t1,1+t1,2)/3；
步骤4：无线电信标在接收定位信号中的测向信息时，每个阵元每接收到1个数据码信息时，就解算一次接收到s1信号的相位θi,0、θi,1和θi,2以及频率fi,0、fi,1和fi,2，其中1≤i≤k，k为测向信息中包含的数据码数；计算无线电信标接收到信号s1的频率为
Figure FDA0003818948050000011
第j个阵元接收到s1的相位为
Figure FDA0003818948050000012
0≤j≤2；
步骤5：将阵元A0分别与阵元A1、A2组成两个基线，以阵元A0为参考天线，分别计算天线A0与A1、A0与A2之间的相位差：φ1＝θ1-θ0，φ2＝θ2-θ0；
步骤6：计算来波信号s1的俯仰角β和方位角α：
Figure FDA0003818948050000021
步骤7：无线电信标在接收到信号s1后，延迟固定时间Δt，在时刻tr,1+Δt发送定位响应信号u1，u1信号的调制方式、频率与信号s1相同，在u1信号中将解算得到的方位角α、俯仰角β以及接收频率fr,1等信息调制在数据码中，发送给着陆器；着陆器接收到无线电信标的定位响应信号u1后，记录接收到u1信号的时刻tu,1，并解算出u1信号的频率fu,1；
步骤8：计算着陆器与无线电信标之间相对运动引起的多普勒频移fd：
fd＝(fr,1+fu,1-2f)/2
并根据多普勒频移fd计算着陆器与无线电信标之间的视向速度vi：
Figure FDA0003818948050000022
并且还计算着陆器与无线电信标之间的频差ferr：
ferr＝(fu,1-fr,1)/2
步骤9：利用着陆器与无线电信标之间的频差信息，计算tu,1时刻着陆器与无线电信标之间的距离D：
Figure FDA0003818948050000023
利用计算得到的距离信息D、俯仰角β以及方位角α，计算着陆器在本地坐标系中的坐标信息(x,y,z)
Figure FDA0003818948050000024
步骤10：着陆器与无线电信标之间周期性的执行步骤3～步骤9，实现着陆器的高精度位定位，引导着陆器安全着陆。
2.根据权利要求1所述一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，其特征在于：空闲情况下，无线电信标处于间歇工作模式，正常工作tw时间，休眠tp时间，以此往复，在无线电信标接收到着陆器搜寻信号后，由间歇模式转为连续工作模式。
3.根据权利要求1所述一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，其特征在于：无线电信标与着陆器之间采用扩频通信体制，其信号模型为：
s(t)＝(C(t)D(t))cos(2πft)
其中，C(t)和D(t)分别为扩频码和数据码，f为信号的调制频率，1个扩频码周期上调制1个数据码。
4.根据权利要求1所述一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，其特征在于：搜寻信号的帧格式由长引导段、同步头段以及数据段三段组成；定位信号的帧格式由短引导段、同步头段、数据段以及测向段四段组成；应答信号的帧格式由短引导段、同步头段以及数据段三段组成；其中长引导段、短引导段以及测向段上调制的数据码信息均为0，长引导段由n个数据码组成，短引导段由m个数据码组成，有n≥m+tp/Tc，Tc为发射1个数据码所需要的时长，测向段由k个数据码组成，同步头段由固定数据组成。
5.根据权利要求4所述一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，其特征在于：数据段采用BCH(15,11,1)码加交织方式进行纠错，BCH码长为15bit，信息位为11bit，纠错能力1bit，生成多项式为：
g(x)＝x4+x+1。
6.根据权利要求4所述一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，其特征在于：m≥200，以满足正常工作时的定位捕获时间要求。
7.根据权利要求2所述一种基于无线电信标合作信号的月球着陆器定位方法，其特征在于：完成着陆器着陆后，无线电信标重新进入间歇工作模式。
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