專利名稱：地空天一體化自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天器自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種地空天一體化自主導(dǎo)航 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它利用偽衛(wèi)星、脈沖星和導(dǎo)航衛(wèi)星(如GPS或北斗)構(gòu)建自 主導(dǎo)航集成系統(tǒng)來對飛行器進(jìn)行高精度自主軌道確定、時(shí)間同步、姿態(tài)控制和 導(dǎo)航定位，該系統(tǒng)適用于地面、臨近空間、近地軌道和深空等飛行器完成探索 任務(wù)游歷的一切空間部分。
背景技術(shù)：
隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是深空探測的推進(jìn)，飛行器由地面發(fā)射到 空間再到深空環(huán)境下，對自主導(dǎo)航的需求和新模式新方法的探索，人類始終沒 有停止過。
目前，已有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中歐的GALILEO和中國的北 斗二代等衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，均處以完善性地建設(shè)中。這些均是無線電導(dǎo)航定 位系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)捕獲跟蹤衛(wèi)星信號來為地面用戶或近空間的機(jī)載用戶提供全 天候全天時(shí)高精度的位置、速度和時(shí)間等導(dǎo)航信息。
但在接收不到例如GPS衛(wèi)星信號的室內(nèi)或被遮蔽的區(qū)域，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就 無法發(fā)揮其導(dǎo)航能力。偽衛(wèi)星(pseudolite)技術(shù)正是彌補(bǔ)這一的缺點(diǎn)的主要 方法之一，而且偽衛(wèi)星可以用于獨(dú)立定位、增強(qiáng)定位等多種應(yīng)用系統(tǒng)中。地磁場是地球系統(tǒng)的基本物理場，直接影響著該系統(tǒng)中一切運(yùn)動的帶電物 體或帶磁物體的運(yùn)動學(xué)特性。地磁場是地球的固有資源，為航空、航天、航海 提供了天然的坐標(biāo)系，可應(yīng)用于航天器或艦船的定位定向及姿態(tài)控制。利用地 球磁場空間分布的磁導(dǎo)航技術(shù)簡便高效、性能可靠、抗干擾， 一直是世界發(fā)達(dá) 國家不可缺少的基本導(dǎo)航定位手段，如自動化程度很高的波音飛機(jī)都裝載有磁 導(dǎo)航定位系統(tǒng)。而磁場導(dǎo)航定位設(shè)備在遠(yuǎn)離地面后，尤其是飛出大氣層后，應(yīng) 用效果就會明顯下降。
在深空探測活動中，如月球計(jì)劃和火星計(jì)劃，甚至更為遙遠(yuǎn)的太陽系探測 活動，對于飛行器來說，導(dǎo)航定位的要求己不能依靠GPS之類的衛(wèi)星導(dǎo)航了，必 須在深空條件下尋找新的參考點(diǎn)。脈沖星是天文物理的范疇，屬于基礎(chǔ)性和前 沿性研究，具有重要的學(xué)術(shù)研究價(jià)值和廣闊的工程應(yīng)用前景。脈沖星具有極其
穩(wěn)定的周期性，毫秒級脈沖星的自轉(zhuǎn)周期變化率達(dá)到10—1S 20—21。其導(dǎo)航的應(yīng)用 巳得到了充分的認(rèn)識，它能夠?yàn)榻剀壍?、深空和星際空間飛行器提供位置、 速度、時(shí)間和姿態(tài)等導(dǎo)航信息，實(shí)現(xiàn)航天器導(dǎo)航定位的工程應(yīng)用。目前，國外 研究尚處于起步階段，國內(nèi)有關(guān)脈沖星觀測和理論研究已開展了十余年，但主 要集中在天文學(xué)、天體物理學(xué)和時(shí)間計(jì)量方法等方面的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，解決深空飛行器自主 導(dǎo)航的問題。
本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法將偽衛(wèi)星系統(tǒng)與衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GPS、中國北 斗)聯(lián)合，將脈沖星編號后再融入偽衛(wèi)星/GPS/北斗的聯(lián)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用覆 蓋地空天一體化自主導(dǎo)航的系統(tǒng)。它包括偽衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星的聯(lián)合，偽衛(wèi)星 與脈沖星的聯(lián)合，地空天導(dǎo)航的一體化以及深空一體化的信息交互設(shè)計(jì)方法。其中
(1) 偽衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星的聯(lián)合導(dǎo)航
如附圖1所示，在飛行器102自地面飛向太空的過程中，飛行器102通過 自帶的信號接收機(jī)同時(shí)接收來自地面的偽衛(wèi)星100信號和在軌運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航 定位系統(tǒng)104、 105、 106，實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位。
(2) 偽衛(wèi)星與脈沖星的聯(lián)合導(dǎo)航
將偽衛(wèi)星103與脈沖星108、 109、 IIO—并進(jìn)行編號，組成一個(gè)新的深空 導(dǎo)航網(wǎng)。利用脈沖星具有穩(wěn)定的已知空間位置、輻射出X射線、自轉(zhuǎn)穩(wěn)定度高 等特點(diǎn)，和飛行器自帶的收發(fā)一體偽衛(wèi)星進(jìn)行信號交互和實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。
(3) 地空天導(dǎo)航的一體化
飛行器102在近空間時(shí)，采用地面?zhèn)涡l(wèi)星100與衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)104、 105、 106進(jìn)行聯(lián)合定位。若以GPS為例，GPS衛(wèi)星離地面2萬公里，而衛(wèi)星發(fā) 射信號是球狀向四面發(fā)射。因此，飛行器102在飛出地面2萬公里的空間后， 將分兩階段實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，第一階段是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)104、 105、 106和脈 沖星108、 109、 IIO聯(lián)合導(dǎo)航，第二階段是脈沖星108、 109、 IIO單獨(dú)導(dǎo)航定 位。在第一階段時(shí)，飛行器102打開自帶的偽衛(wèi)星103進(jìn)行工作。
(4) 深空一體化的信息交互
由于飛行器102是自帶收發(fā)一體偽衛(wèi)星103而進(jìn)行工作的，這樣就能繼續(xù)
保持地空天信號的一體化交互和自主導(dǎo)航的連續(xù)性，也可以繼續(xù)將飛行狀況通
過偽衛(wèi)星103向地面或國際空間站進(jìn)行交互。在深空探測中太陽位于飛行器和
地球之間的位置或飛行方向的視線不佳時(shí)，都能繼續(xù)實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定高可靠的深空
自主導(dǎo)航。
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于(1) 本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法首次將收發(fā)一體偽衛(wèi)星103搭載在飛行器102上 進(jìn)行一體化導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，偽衛(wèi)星103與脈沖星108、 109、 IIO在深空 階段進(jìn)行自主導(dǎo)航，并與國際空間站進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)地空天一體化的融合 導(dǎo)航。
(2) 飛行器102在由自帶的偽衛(wèi)星103和脈沖星108、 109、 IIO共同編碼的 深空導(dǎo)航網(wǎng)中進(jìn)行自主導(dǎo)航。偽衛(wèi)星作為信號源是無線電方式，脈沖星作為信 號源是其本身輻射出X射線。飛行器的融合處理平臺是一種集無線電收發(fā)與X射 線探測和成像為一體的信號處理平臺，最終輸出導(dǎo)航參數(shù)供飛行器自主導(dǎo)航。
本發(fā)明的技術(shù)效果
(1) 目前在深空探測方面，中國已達(dá)到了登月水平，美國等其它國家達(dá)到 了登陸火星水平。在這些探測活動中，地面的遙測遙控系統(tǒng)仍是全過程必須的 部分，貫穿飛行器探測的始終。而在本發(fā)明方法中，深空階段的飛行器是無需 地面信號的遙測遙控。本方法創(chuàng)新地提出了以自帶收發(fā)型偽衛(wèi)星為載荷的自主 導(dǎo)航系統(tǒng)，為飛行器的全程導(dǎo)航做信號接續(xù)和數(shù)據(jù)收集與預(yù)報(bào)功能，更大程度 地發(fā)揮了飛行器在深空中的自主性和提高了對不可預(yù)見性問題的及時(shí)處理能 力。
(2) 利用本發(fā)明可以對GPS/北斗衛(wèi)星、偽衛(wèi)星和脈沖星等組成一體化互 補(bǔ)性融合式自主導(dǎo)航，具有高可靠性和高定位精度，以及飛行器的自動避障等 自主導(dǎo)航中的自主決策功能。本發(fā)明是一種方法創(chuàng)新和集成創(chuàng)新為一體的自主 導(dǎo)航技術(shù)方法。
(3) 本發(fā)明中利用地面?zhèn)涡l(wèi)星聯(lián)合GPS/北斗對飛行器進(jìn)行導(dǎo)航定位，在 時(shí)間同步、多徑效應(yīng)和遠(yuǎn)近效應(yīng)等問題考慮的情況下采用載波相位技術(shù)，理論 上可以實(shí)現(xiàn)飛行器的亞米級三維定位精度。
(4) 在深空中，脈沖星的介入，飛行器的定位精度一般為士100米級。而 自帶的偽衛(wèi)星將使的這一 自主導(dǎo)航定位精度提升為±30米。


圖1飛行器自主導(dǎo)航示意圖； 圖中100——偽衛(wèi)星；
101——地面主控站；
102——飛行器；
103——飛行器自帶偽衛(wèi)星；
104——衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)；
105——衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)；
106——衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)；
107——國際空間站；
108——脈沖星；
109——脈沖星；
110——脈沖星。
圖2是一體化自主導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)流程圖。
具體實(shí)施例方式
參閱圖1、圖2，結(jié)合深空飛行器的導(dǎo)航需求對本發(fā)明方法的具體實(shí)施和
操作進(jìn)行案例實(shí)施
(1) 深空飛行器102在地面發(fā)射到導(dǎo)航定位衛(wèi)星104、 105、 106之間的這段 空間部分，深空飛行器102的導(dǎo)航定位依靠偽衛(wèi)星100和導(dǎo)航定位衛(wèi)星104、 105、 106，導(dǎo)航衛(wèi)星104、 105、 106采用GPS衛(wèi)星或者中國北斗衛(wèi)星。在該段的聯(lián)合定 位系統(tǒng)中，偽衛(wèi)星100需要通過地面主控站101來做時(shí)間同步修正、大氣層誤差 修正等。飛行期間，深空飛行器102打開自帶的偽衛(wèi)星103與地面主控站101進(jìn)行 信號交互。
(2) 深空飛行器102飛過GPS或北斗衛(wèi)星104、 105、 106的軌道，仍接收到衛(wèi)星信號，此時(shí)地面?zhèn)涡l(wèi)星100的信號與深空飛行器102脫離。因?yàn)?，地面?zhèn)涡l(wèi) 星100的信號無法廣播到此時(shí)的深空飛行器102。自帶偽衛(wèi)星103繼續(xù)在聯(lián)合GPS 或北斗衛(wèi)星104、 105、 106對深空飛行器102進(jìn)行導(dǎo)航定位，并逐步實(shí)現(xiàn)聯(lián)合脈 沖星亂109、 IIO的自主導(dǎo)航。
(3) 深空飛行器102在深空狀態(tài)下，只能用脈沖星108、 109、 110和自 帶偽衛(wèi)星103進(jìn)行自主導(dǎo)航。這一段的自主導(dǎo)航，無需與地面設(shè)施接續(xù)，自帶 偽衛(wèi)星103具有收發(fā)功能，可以與國際空間站107進(jìn)行通信和測控。
(4) 利用深空飛行器102的融合處理平臺，將偽衛(wèi)星/脈沖星在各階段飛 行的自主導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和實(shí)時(shí)與國際空間站107交互。
權(quán)利要求
1. 一種深空飛行器自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它采用偽衛(wèi)星(100)、導(dǎo)航定位衛(wèi)星(104、105、106)、脈沖星(108、109、110)和飛行器(102)自帶偽衛(wèi)星(103)來構(gòu)建自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于A.飛行器(102)自地面升空飛向太空的過程中，飛行器(102)由自帶的偽衛(wèi)星(103)上的信號接收機(jī)、地面的偽衛(wèi)星(100)、地面主控站(101和在軌運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(104、105、106)構(gòu)成的偽衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星的聯(lián)合導(dǎo)航定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位；B.飛行器(102)在太空中高度超越衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(104、105、106)時(shí)，飛行器由自帶的偽衛(wèi)星(103)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(104、105、106)和脈沖星(108、109、110)構(gòu)成的導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，當(dāng)飛行器(102)遠(yuǎn)離衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(104、105、106)接收不到它的信號時(shí)，飛行器(102)由自帶的偽衛(wèi)星(103)和脈沖星(108、109、110)構(gòu)成的導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深空飛行器自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特 征在于所說的導(dǎo)航定位衛(wèi)星(104、 105、 106)是GPS導(dǎo)航定位衛(wèi)星或中國 北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深空飛行器自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特 征在于所說的脈沖星(108、 109、 110)是X射線脈沖星。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深空飛行器自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特 征在于所說的偽衛(wèi)星(103)是能夠和地面主控站(101)、導(dǎo)航定位衛(wèi)星(104、 105、 106)、脈沖星(108、 109、 110)和國際空間站(107)進(jìn)行信息交互的 偽衛(wèi)星。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地空天一體化自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它是能應(yīng)用于飛行器自地面發(fā)射到深空探測全過程的自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)至少包括偽衛(wèi)星、脈沖星、地面主控站、飛行器等，結(jié)合在軌運(yùn)行的GPS或中國北斗衛(wèi)星，集成一個(gè)自主導(dǎo)航定位的系統(tǒng)整體。前瞻性地將脈沖星這個(gè)尚處于物理概念的穩(wěn)定信號源，融合入深空一體化自主導(dǎo)航的技術(shù)范疇。本方法系統(tǒng)性地解決了深空飛行器自主導(dǎo)航的一體化要求，有效實(shí)現(xiàn)各種高技術(shù)應(yīng)用的信息融合，滿足深空探測活動中飛行器的高精度自主導(dǎo)航應(yīng)用。同時(shí)，也是地面導(dǎo)航定位應(yīng)用的拓展研究和系統(tǒng)方法的新探索。
文檔編號G01C21/24GK101285687SQ20081003831
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者雷 張, 寧 戴, 王建宇, 嶸 舒 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所