高轨航天器高灵敏度GNSS接收机关键技术研究

With the rapid development of satellite navigation technology, the Global Navigation Satellite System (GNSS) with its advantages of small size, low cost, high precision navigation in all types of ground users, aircraft and LEO/MEO spacecraft and other fields has been widely used and gained much attention. However, GNSS applications in high orbit spacecraft autonomous navigation is still in the exploration, with the reasons: 1. In high orbit environment,satellite observability is poor , satellites alter frequency is high; 2. As signal propagate long distance, space loss is high, resulting in poor signal quality. So, acquisitionis difficult ; 3. Received signal is in high-dynamic, under weak signal environment, easily resulting in loss of tracking. Thus, making GNSS applications in high orbit environment is greatly limited. The project is planned based on the considerable depth research and analysis of whole constellation of GNSS satellite signal characteristics, temporal and spatial distribution characteristics. It gives a high orbit GNSS satellite considerable improvement methods; propose weak GNSS signals quickly and accurately acquisition methods and seamless whole orbit track methods; design of high sensitivity GNSS high-orbit spacecraft autonomous orbit determination, attitude determination solution; design and development of a high sensitivity GNSS receiver softwar for high-orbit spacecraft autonomous navigation.

随着卫星导航技术的飞速发展，全球导航卫星系统(GNSS)以其体积小、成本低、导航精度高等优势，在各类地面用户、航空器以及中低轨航天器等导航领域得到了广泛应用。但是，GNSS在高轨道航天器自主导航的应用方面目前尚处于探索之中，其主要原因为：（1）高轨环境中，卫星可观性差，可定位弧段不连续；（2）信号传播距离远，空间损耗激增，导致信号品质差，且换星频繁，难以捕获；（3）信号动态比较高，微弱信号环境下极易造成接收机跟踪环路失锁。从而使得GNSS在高轨环境中的应用受到极大的限制。本项目拟在通过对GNSS全星座卫星信号特征、时空分布特性、可观性的深入研究与分析，给出高轨GNSS卫星可观性的改善方法；提出适用于高轨GNSS接收机的微弱GNSS信号快速精确捕获方法和全轨无缝跟踪方法；设计基于高灵敏度GNSS的高轨航天器自主定轨、定姿方案；并完成高轨航天器自主导航的高灵敏度GNSS软件接收机的设计与开发。

随着航天技术的飞速发展，高轨航天器在远距离通信、气象探测、灾害预警以及探月工程等军事和民用领域发挥着越来越重要的作用。目前，高轨航天器定轨主要借助地面测控网完成，这种方式存在设备复杂、维护成本高、战时生存能力差等问题，无法满足未来的发展需求。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）作为一种重要的空间基础设施和战略资源，具有实时性高、自主性强、精度高、成本低的特点，可同时满足定位、测速、授时及姿态确定等多种导航任务需求。利用GNSS为高轨航天器提供自主导航服务，可以降低其对地面测控网的依赖，简化导航设备，提高导航精度，是一项具有重要研究意义和应用前景的关键技术。然而，不同于地面及中、低轨用户，高轨航天器的轨道高度要高于GNSS星座。在地球遮挡、信号传播距离增加等多种因素的共同作用下，GNSS主瓣信号在高轨空间的分布区域较为狭小，且信号强度进一步降低，造成了高轨空间GNSS信号可见性恶化。因此，高轨航天器所处的特殊应用环境对GNSS接收机性能提出了更高的要求。. 本课题以解决高轨航天器自主导航应用的高灵敏度GNSS接收机信号处理关键技术为目标，开展了高轨道空间GNSS卫星的信号特性、高轨航天器GNSS微弱信号快速精确捕获方法、高轨航天器GNSS微弱信号全轨无缝跟踪方法研究、高轨航天器SINS辅助GNSS自主定轨方法、基于多频多模载波相位的高轨航天器自主定姿方法等高轨航天器高灵敏度GNSS接收机相关关键技术的研究工作，并进行了面向高轨航天器的全链路仿真和高灵敏度GNSS软件接收机的设计与开发工作。. 经过四年的技术攻关，课题所有拟定的研究目标均已完成，并取得了一定的创新性研究成果，提出了多种适用于高轨环境的GNSS信号处理及定轨定姿方法和方案。这些研究成果可为我国未来适用于高轨环境的多频多模高灵敏度GNSS接收机的研制提供理论基础和技术支撑。此外，在本课题的研究基础上，课题组目前正在以高轨编队卫星为应用对象，围绕基于GNSS的高轨航天器高精度相对导航技术进行扩展性的技术研究。