卫星导航技术在高轨自主导航中的应用（下）

三、导航接收机设计

针对探月三期飞行试验器轨道特点以及导航信号接收特性，服务舱导航接收机使用双天线接收模式，在服务舱±Z轴各安装了一个接收机天线，保证导航信号全向接收，增大导航星可观度。本次任务中GNSS漏导航信号接收系统由导航接收天线、前置放大器、导航接收机组成。

图3 漏导航卫星信号接收系统框图

GNSS接收天线接收导航信号，通过前置放大器进行滤波和放大处理后送入导航接收机，把收到的模拟导航信号由L频段变换到较低的中频频段上，进行模数转换，在数字域内完成导航信号的捕获、跟踪和测量，得到原始伪距观测量。在观测量满足定位的条件下完成定位解算，获得定轨初值信息，然后启动定轨滤波解算，得到最终的导航结果。

其中，GNSS接收机硬件包括多块板卡组成，采用模块化设计，内部设计有内部连接线，各个功能模块通过内部总线相连。采用此种板卡拼接式设计，可以方便实现系统扩展。

图4 导航接收机结构内部装配图

GNSS接收天线a安装在服务舱下舱+Z+Y板的外表面（+Z面），与服务舱+Z轴指向一致，与+Z舱板上的其他天线轴心距离均大于850mm。GNSS接收天线b安装在下舱－Z－Y板的外表面（－Z面），垂直于结构板安装，与服务舱－Z轴指向一致，与－Z舱板上的其他天线轴心距离均大于850mm。

 图5 GNSS接收天线安装示意图

（左图为天线b，右图为天线a）

四、在轨数据分析

1.导航信号接收特性分析

国际标准时间（UTC）2014年10月31日17：01：57，服务舱GNSS接收机在67372km轨道高度开机，3min35s后收到了第一颗GLONASS卫星，并获得导航星电文信息。在轨道高度66944km处，接收机完成时间系统初始化。在轨道高度66765km处，成功收到第一颗GPS导航卫星。轨道高度61808 km处，第一次完成导航解算，并对外输出导航位置速度结果。在北京时间11月1日18：09：04至10月31日21：56：31，接收机以1Hz数据更新速率连续输出导航定位结果。本次在轨飞行试验，成功实现了利用漏导航卫星信号高轨道航天器自主测定轨。

探月三期飞行试验器按照计划将进行6次轨道修正，由于在轨工作状态正常，取消了第6次轨道修正，自第5次中途修正至10月31日21：48之前没有轨道机动和调姿操作，该阶段的飞行轨道非常稳定。根据USB和VLBI测量数据，地面定轨系统通过多站联合精度评估，测定轨精度优于100m。将GNSS接收机在轨实时自主定轨数据，与第三方多站联合测定轨数据进行比对，两组轨道之间的位置差异优于100m，速度差异优于0.01m/s。

本次任务中GNSS接收机下传伪距、载波相位等原始观测信息至地面，可用于事后地面高精度轨道计算。武汉大学卫星导航定位中心采用轨道拟合的方法对伪距定位离散轨道进行动力学平滑，得到连续平滑的高精度的动力学轨道。通过导航接收机实时自主定轨结果与轨道动力学拟合后轨道符合性分析结果，可以看出收敛后二者位置差异在30m内，速度在5cm/s内。

五、小结

本次探月三期飞行试验任务中，首次实现了高轨航天器高灵敏度接收处理关键技术，在无任何辅助数据情况下，成功利用高轨GNSS（GPS/GLONASS）漏导航卫星信号，实现了探月转移轨道全自主导航定位，位置精度优于100m，速度精度优于0.01m/s。验证了航天器运行轨道高于导航星座情况下，漏导航卫星信号接收特性，突破了高轨GNSS信号功率衰减严重、易受障碍物遮挡、可观性差以及动态性较高等影响接收机信号处理的瓶颈问题。为我国高轨及深空返回提供一种有效的自主测定轨手段，开拓了GNSS应用新领域，具有重大的社会、经济、军事效益和广泛的应用前景。

本文信息来源，卫星应用

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