CN117318786A - 基于北斗导航系统的地月空间超大时延星间链路测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗导航系统的地月空间超大时延星间链路测量方法，地月飞行器计算发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量，调整发射码相位后在设定的发射时隙发射信号；北斗导航卫星基于北斗卫星接收TOA预报算法预测信号的到达时刻复现码相位，接收信号并计算单向测距值；北斗导航卫星发射信号，地月飞行器基于地月飞行器接收TOA预报算法预测信号的到达时刻，复现码相位并计算单向测距值；根据北斗导航卫星、地月飞行器分别计算得到的单向测距值，计算得到星间链路的距离。本发明在现有的北斗星间测距体制制约下实现北斗卫星和地月飞行器的双向比对测量。

Description

基于北斗导航系统的地月空间超大时延星间链路测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于北斗导航系统的地月空间超大时延星间链路测量方法，属于空间时空基准与导航技术领域。

背景技术

地月飞行器航行距离远、时间长，且轨道机动、轨道转移、轨道保持以及姿态转换等在轨操作次数多、难度大、精度要求高，因此月球及深空探测任务需要一种能提供时间比对和距离测量的技术，即适用于地月空间超大时延星间链路双向测量技术。北斗导航系统作为我国最成熟的全球性导航系统，其星间链路具备给深空飞行器提供测距授时的能力，是未来给地月飞行器提供测距授时服务最经济和可行性的对象。

当前北斗星间链路的理论上仅支持最大0.25s的链路传输时延测量能力，而北斗卫星与地月空间飞行器建立星间链路具有超大时延的特点，最长时延可达1.6s，远超出北斗星间链路的测量能力，因此地月空间星间链路测量不能采用当前的北斗星间链路方法。北斗星间链路的相控阵链路体制3s时隙中1.5s进行发射，1.5s进行接收，但是由于地月飞行器与北斗星间链路的链路时延可达1.6s，如果按照1.5s时隙进行收发，则双方均会出现收发冲突的现象。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于北斗导航系统的地月空间超大时延星间链路测量方法，在现有的北斗星间测距体制下实现北斗卫星和地月飞行器的双向比对测量。

本发明的技术解决方案是：

基于北斗导航系统的地月空间超大时延星间链路测量方法，包括：

地月飞行器计算发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量，根据所述超前调整量对发射码相位进行调整，在设定的发射时隙发射信号；北斗导航卫星基于北斗卫星接收TOA预报算法预测信号的到达时刻，复现码相位接收信号并计算单向测距值；

北斗导航卫星根据发送时刻生成发射码相位并发射信号，地月飞行器基于地月飞行器接收TOA预报算法预测信号的到达时刻，复现码相位并计算单向测距值；

根据北斗导航卫星、地月飞行器分别计算得到的单向测距值，计算得到星间链路的距离。

优选的，北斗导航卫星基于北斗卫星接收TOA预报算法预报时延，所述北斗卫星接收TOA预报算法包括：

对地月飞行器位置r₁坐标进行调整，将调整前的地月飞行器真实星历坐标记作(x,y,z)，调整后上注的星历坐标记作(x′,y′,z′)，当前时刻北斗卫星坐标记作(x_b,y_b,z_b)，则位置坐标的调整方法如下：

式中，TOA为地月飞行器与北斗卫星的真实距离，T_adj为地月飞行器发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量，k为坐标调整的比例系数；

将调整后的地月飞行器位置r₁代入下式，得到预报时延TOA'：

式(2)中，地月飞行器的速度、加速度坐标分别为北斗卫星位置、速度、加速度坐标r₂，/>Δr′为调整后上注的地月飞行器位置与北斗卫星之间的星间向量Δr′＝(x'-x_b,y'-y_b,z'-z_b)，Δr′＝||Δr′||，δt_r为相对钟差，c_r+t为总时延，包括地月飞行器发射时延和北斗卫星接收时延。

优选的，北斗导航卫星计算单向测距值，计算方法为：

对北斗卫星接收TOA预报算法进行坐标变换时的误差进行补偿，计算补偿量：

式中，Δr为地月飞行器真实位置与北斗卫星之间的星间向量Δr＝(x-x_b,y-y_b,z-z_b)，Δr＝||Δr||，c为光在真空中的传播速率；

根据补偿量，计算得到单向传播时间：

T_AB＝T_测量+T_adj+e_TOA

式中，T_AB为单向传播时间，T_测量为北斗星间链路载荷测量250ms内的链路距离，T_adj为地月飞行器发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量；

根据单向传播时间，得到单向测距值。

优选的，地月飞行器计算发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量，时隙脉冲超前调整量为：

式中，TOA为地月飞行器与北斗卫星的真实信号传播时延，单位ms。

优选的，地月飞行器在设定的发射时隙发射信号，设定的发射时隙值至少比时隙脉冲超前调整量多1.25s。

优选的，地月飞行器计算单向测距值的方法为：

采用基于开关门的测量方式，设计开门时间T_open为：

τ_H+0.25≤T_open≤τ_L+1

式中，[τ_L,τ_H]表示链路传输时延范围，在信号到达后1s处关门；

获取开门时刻的NCO累加值；再恢复出北斗卫星信号到达后1s处关门采集NCO累加值，开关门时刻NCO累加量相减获得测量值T'_测量，则单向传播时间为：

T_BA＝T'_测量+T_open-1

根据单向传播时间，得到单向测距值。

优选的，所述地月飞行器接收TOA预报算法为：

式中，TOA”为预报时延；地月飞行器的位置、速度、加速度坐标r₁，和北斗卫星的位置、速度、加速度坐标r₂，/>均为轨道预报的真实位置、速度和加速度信息；Δr＝r₂-r₁为星间距离Δr＝||Δr||，δt_r＝δt₁(t_rec)-δt₂(t_trans)为相对钟差，其中δt₁(t_rec)为地月飞行器接收时刻钟差，δt₂(t_trans)为北斗卫星发射时刻钟差；c_r+t为总时延，包括北斗卫星发射时延和地月飞行器接收时延。

优选的，地月飞行器在北斗卫星发射时隙起持续3s接收信号。

优选的，将地月飞行器发射起始时刻的码相位调整为北斗卫星接收时隙起始时刻的码相位，即码相位滞后所述时隙脉冲超前调整量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)当前北斗星间链路的收发时隙为1.5s，在测量最大1.6s链路时延时会导致收发时隙冲突。本发明将地月飞行器收发间隙设置为3s，北斗卫星的收发时隙仍为1.5s。地月飞行器向北斗卫星发送信号时，通过TOA预报调整发送时刻，使得信号到达卫星时可被卫星正常接收，从而解决收发时隙冲突的问题。

(2)当前北斗星间链路载荷的TOA预报算法不支持最大1.6s时延的地月预报能力。本发明提出了基于地月飞行器星历信息的新TOA预报算法，在北斗卫星端，通过北斗卫星和地月飞行器星历计算出下个接收时隙地月飞行器的位置，用一个预报位置替代地月飞行器的真实位置，该预报位置的虚拟卫星可以发送到达时间、方向和地月飞行器一致的信号，利用预报位置和当前的北斗TOA预报算法计算出北斗卫星的TOA预报值。

(3)现有的北斗星间链路默认信号的发射时刻与接收时刻是对齐的，但地月飞行器的信号的发射时刻不能满足上述要求。为了实现信号的正确接收和解调，在本发明提出一种码相位补偿算法，基于该算法得到的码相位补偿量可将地月飞行器发射起始时刻的码相位调整为北斗卫星接收时隙起始时刻的码相位。

(4)当前北斗星间链路载荷仅能测量250ms内的链路距离，为了得到真实的星间距离，本发明提出了一种真实测距值的计算方法，该方法考虑了北斗星间链路载荷测量值、地月飞行器发送时刻调整量和地月飞行器发射起始时刻的码相位调整量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为地月飞行器与北斗卫星建链时隙规划；

图2为本发明实施例用于辅助信息生成的位置坐标调整策略示意图；

图3为本发明实施例卫星运动引起的TOA误差仿真图；

图4为本发明实施例地月飞行器发射码相位调整示意图；

图5为本发明实施例地月飞行器接收测量方案示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

一种基于北斗导航系统的地月空间超大时延星间链路测量方法，在不改变北斗导航系统现有的链路体制的前提下，即将地月飞行器收发时隙设置为3s，设计了新的TOA预报算法，将地月飞行器发射起始时刻的码相位调整为北斗卫星接收时隙起始时刻的码相位，使得北斗卫星接收端不会出现时隙冲突；同时设计新的测量方案，使得地月空间星间链路具备1.6s范围的测距能力，突破现有北斗星间链路测量载荷只能测量0.25s以内的链路长度的测量范围约束，为地月导航提供技术支撑。

该方法具体包括：

(1)地月飞行器计算发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量，根据所述超前调整量对发射码相位进行调整，在设定的发射时隙发射信号，北斗导航卫星基于TOA预报算法预测信号的到达时刻，接收信号计算出单向测距值。

a)发射码相位调整

发射码相位调整是将地月飞行器发射起始时刻的码相位调整为北斗卫星接收时隙起始时刻的码相位，如图4所示。由于在北斗卫星端接收测量时默认地月飞行器的发射时刻与本星的接收时刻是对齐的，为了能够基于TOA预报算法恢复出地月飞行器发射信号的码相位，实现信号的正确接收和解调，需要将地月飞行器发射起始时刻的码相位调整为北斗卫星接收时隙起始时刻的码相位，即码相位滞后T_adj。

式中，TOA为地月飞行器与北斗卫星的真实信号传播时延，单位ms。

b)发射时隙设置

规定的发射时隙需满足地月飞行器和北斗导航卫星进行通信时不会出现收发时隙冲突。从地月飞行器先发或北斗导航卫星先发两种情况考虑，设计了两类时隙规划方式。按图1规划时隙分配，北斗星间链路的收发时隙仍为1.5s，根据时隙路由表规划确定每个1.5s的收发态；地月飞行器收发时隙为3s，同时将发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量T_adj，北斗卫星接收端将不会出现时隙冲突。超前调整量T_adj由TOA预报的距离确定。

c)北斗卫星TOA预报算法

TOA预报算法是为了预测信号的到达时刻，接收机通过预测时延复现码相位，降低接收机的捕获时间。

在北斗星间链路载荷端，TOA生成算法如下：

式中，地月飞行器的位置、速度、加速度坐标分别为r₁，北斗卫星位置、速度、加速度坐标r₂，/>Δr＝r₂-r₁为星间距离Δr＝||Δr||，δt_r为相对钟差，c_r+t为总时延。

考虑以下两方面原因，需要对北斗卫星端建链使用的TOA进行修正：当前北斗卫星端载荷规定的TOA量程不支持1.6s的TOA；根据以上时隙调整策略和测量方法，TOA需要表征从北斗卫星接收时隙起始到信号到达时刻的链路时长，即T测量时长。

因此需要采取相关策略，对地月飞行器星历信息进行处理后上注北斗卫星，保证上注的星历信息能够实现北斗卫星对于地月飞行器正确指向的同时，能够正确表征链路距离，保证北斗星间链路载荷端实现正确捕获跟踪及测量。调整策略是对地月飞行器位置坐标进行调整，不改变速度、加速度坐标将调整前的地月飞行器真实星历坐标记作(x,y,z)，调整后上注的星历坐标记作(x′,y′,z′)，当前时刻北斗卫星坐标记作(x_b,y_b,z_b)，如图2所示，则位置坐标的调整方法如下：

根据调整后的位置坐标，得到调整后的r₁，并计算调整后上注的地月飞行器位置与北斗卫星之间的星间向量Δr′，代替TOA生成算法中的Δr＝r₂-r₁。

以上TOA预报算法通过调整地月飞行器位置坐标后，由于卫星运动速度和加速度引起的TOA误差在±14us范围内，仿真结果见图3。该误差项需要进行计算和码相位补偿，即为后续计算的e_TOA。

d)单向测量距离

根据观测值计算出星间链路的单向测量距离，在不修改北斗星间链路载荷接收能力的前提下，北斗星间链路载荷仅测量250ms内的链路距离T_测量并传递给地月飞行器进行双向比对解算，在双向距离比对时，根据时隙调整量T_adj和TOA误差补偿量e_TOA恢复真实测量值，恢复真实测量值的公式如下：

T_AB＝T_测量+T_adj+e_TOA

考虑到预报算法引起的误差，为了消除该误差项以满足TOA预报精度，需要在发射前对该误差项进行估计并进行码相位的补偿，补偿量计算方法如下：

式中，Δr′为调整后上注的地月飞行器位置与北斗卫星之间的星间向量Δr′＝(x'-x_b,y'-y_b,z'-z_b)，Δr′＝||Δr′||，Δr为地月飞行器真实位置与北斗卫星之间的星间向量Δr＝(x-x_b,y-y_b,z-z_b)，Δr＝||Δr||，为地月飞行器的速度与加速度，c为光在真空中的速度。

将T_AB乘以真空光速得到测距值。

(2)北斗导航卫星根据发送时刻生成发射码相位，在规定的发射时隙发射信号，地月飞行器接收信号，基于TOA预报算法模块提供预报时延，地月飞行器计算出单向测距值。

规定的发射时隙与步骤(1)中规定发射时隙相同。

地月飞行器端TOA生成算法如下：

式中，地月飞行器的位置、速度、加速度坐标r₁，和北斗卫星的位置、速度、加速度坐标r₂，/>均为轨道预报的真实位置、速度和加速度信息，不需要再进行处理，Δr＝r₂-r₁为星间距离Δr＝||Δr||，δt_r＝δt₁(t_rec)-δt₂(t_trans)为相对钟差，其中δt₁(t_rec)为地月飞行器接收时刻钟差，δt₂(t_trans)为北斗卫星发射时刻钟差，计算方法如下：

·地月飞行器钟差参数：

·北斗卫星钟差参数：

其中：

式中，c_r+t为总时延，包括北斗卫星发射时延和地月飞行器接收时延。

在地月飞行器接收端，采用基于开关门的测量方案，需要重点考虑开门时间的设计。如图5所示由于链路传输时延范围横跨了[τ_L,τ_H]s，考虑在信号到达后1s处关门，所以开门时间T_open需要满足以下关系：

τ_H+0.25≤T_open≤τ_L+1

根据以上关系，选择合适的开门时刻T_open，获取到开门时刻的NCO累加值；再恢复出北斗卫星信号到达后1s处关门采集NCO累加值，开关门时刻NCO累加量相减获得测量值T_测量，则真实测量值的公式如下：

T_BA＝T_测量+T_open-1

将T_BA乘以真空光速得到测距值。

(3)采用现有北斗星间链路的成熟双向距离比对算法，计算星间链路的距离。

以上所述实施例只是本发明较优选具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.基于北斗导航系统的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，包括：

地月飞行器计算发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量，根据所述超前调整量对发射码相位进行调整，在设定的发射时隙发射信号；北斗导航卫星基于北斗卫星接收TOA预报算法预测信号的到达时刻，复现码相位接收信号并计算单向测距值；

北斗导航卫星根据发送时刻生成发射码相位并发射信号，地月飞行器基于地月飞行器接收TOA预报算法预测信号的到达时刻，复现码相位并计算单向测距值；

根据北斗导航卫星、地月飞行器分别计算得到的单向测距值，计算得到星间链路的距离。

2.根据权利要求1所述的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，北斗导航卫星基于北斗卫星接收TOA预报算法预报时延，所述北斗卫星接收TOA预报算法包括：

对地月飞行器位置r₁坐标进行调整，将调整前的地月飞行器真实星历坐标记作(x,y,z)，调整后上注的星历坐标记作(x′,y′,z′)，当前时刻北斗卫星坐标记作(x_b,y_b,z_b)，则位置坐标的调整方法如下：

式中，TOA为地月飞行器与北斗卫星的真实距离，T_adj为地月飞行器发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量，k为坐标调整的比例系数；

将调整后的地月飞行器位置r₁代入下式，得到预报时延TOA'：

式中，地月飞行器的速度、加速度坐标分别为北斗卫星位置、速度、加速度坐标r₂，/>Δr′为调整后上注的地月飞行器位置与北斗卫星之间的星间向量Δr′＝(x'-x_b,y'-y_b,z'-z_b)，Δr′＝||Δr′||，δt_r为相对钟差，c_r+t为总时延，包括地月飞行器发射时延和北斗卫星接收时延。

3.根据权利要求2所述的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，北斗导航卫星计算单向测距值，计算方法为：

对北斗卫星接收TOA预报算法进行坐标变换时的误差进行补偿，计算补偿量：

式中，Δr为地月飞行器真实位置与北斗卫星之间的星间向量Δr＝(x-x_b,y-y_b,z-z_b)，Δr＝||Δr||，c为光在真空中的传播速率；

根据补偿量，计算得到单向传播时间：

T_AB＝T_测量+T_adj+e_TOA

式中，T_AB为单向传播时间，T_测量为北斗星间链路载荷测量250ms内的链路距离，T_adj为地月飞行器发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量；

根据单向传播时间，得到单向测距值。

4.根据权利要求1所述的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，地月飞行器计算发送时刻相对于北斗卫星的时隙脉冲超前调整量，时隙脉冲超前调整量为：

式中，TOA为地月飞行器与北斗卫星的真实信号传播时延，单位ms。

5.根据权利要求1所述的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，地月飞行器在设定的发射时隙发射信号，设定的发射时隙值至少比时隙脉冲超前调整量多1.25s。

6.根据权利要求1所述的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，地月飞行器计算单向测距值的方法为：

采用基于开关门的测量方式，设计开门时间T_open为：

τ_H+0.25≤T_open≤τ_L+1

式中，[τ_L,τ_H]表示链路传输时延范围，在信号到达后1s处关门；

获取开门时刻的NCO累加值；再恢复出北斗卫星信号到达后1s处关门采集NCO累加值，开关门时刻NCO累加量相减获得测量值T'_测量，则单向传播时间为：

T_BA＝T'_测量+T_open-1

根据单向传播时间，得到单向测距值。

7.根据权利要求1所述的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，所述地月飞行器接收TOA预报算法为：

式中，TOA”为预报时延；地月飞行器的位置、速度、加速度坐标r₁，和北斗卫星的位置、速度、加速度坐标r₂，/>均为轨道预报的真实位置、速度和加速度信息；Δr＝r₂-r₁为星间距离Δr＝||Δr||，δt_r＝δt₁(t_rec)-δt₂(t_trans)为相对钟差，其中δt₁(t_rec)为地月飞行器接收时刻钟差，δt₂(t_trans)为北斗卫星发射时刻钟差；c_r+t为总时延，包括北斗卫星发射时延和地月飞行器接收时延。

8.根据权利要求1所述的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，地月飞行器在北斗卫星发射时隙起持续3s接收信号。

9.根据权利要求1所述的地月空间超大时延星间链路测量方法，其特征在于，将地月飞行器发射起始时刻的码相位调整为北斗卫星接收时隙起始时刻的码相位，即码相位滞后所述时隙脉冲超前调整量。