专利名称：星球表面广域探测的卫星导航方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉 及航天技术中卫星导航技术领域，尤其涉及一种星球表面广域探测的卫星导航方法及系统。
背景技术：
随着深空探测的深入，对某些重要星球需要登录探测，开展长期驻留研究，甚至建立长期基地。届时，对在星球表面大范围开展研究的探测器或其他探测单元，非常有必要知道其所处的位置，即对该星球表面用户导航定位。并且此类探测任务对导航定位的需求略有不同，其对实时性和精度要求并不是很高，更关注的使用需求一是覆盖范围广，即使离开基地很远也可以定位；二是在迷途的情况下能有效给出位置，哪怕是一天一次定位也可以保证安全返回或到达集结点的正确方向。目前，建立在地球表面的测控站(深空探测网)由于距离该星球可能很远或信号遮挡(如月球背面)而难以发挥有效作用；探测器携带的惯性导航系统和图像匹配系统支持的导航距离非常有限。建立该星球的导航系统才是有效的解决途径，目前在月球和火星等表面尚未建立导航系统，直接移植地球上目前流行的导航系统并不适宜。现有的导航技术有地面时差测量导航和天基卫星导航两种方式。地面的导航主要是针对局部小区域建立三个以上的基准点(基站)，利用导航终端用户测量到达各个基站的时间差解算自身方位。利用到达时差(TDOA，Time Difference OfArrival)进行导航的定位系统开始于20世纪60年代的罗兰(LORAN)系统，至今已发展到第四代，目前罗兰-C的应用最为广泛俄罗斯的“MC5-90”系统采用三站时差定位并广泛应用于防空体系，乌克兰的“卡拉秋塔”系统、捷克的“塔玛拉”系统、以色列“EL/L-8388”系统都是时差定位系统。常见的手机基站定位服务，基本属于时差定位方式。但地面导航定位方式依赖于基站，对新探测的星球，在该星球上建立地基无线信号区域差分导航可以解决局部区域的定位问题，但对于该星球的全球大范围探索，若想实现大范围的信号覆盖，需要建立全球覆盖的不计其数的基站，在经济上是不可行的。另一类天基卫星导航定位是将基准点从地面搬到了天上，利用在轨运行的数十颗卫星构成星座，每颗基准卫星播发导航信号，为地面提供导航基准。目前运行的成熟卫星导航系统有美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GL0NASS和欧盟的伽利略系统。采用目前世界上流行的全球卫星星座导航，可以实现全球覆盖，但系统造价昂贵、建设周期长，需要地面多个测站、控制站，且由于导航几何因子约束，还需要在轨多达几十颗的高级卫星的支持，在星球探测初期是不经济的。因此，对于日益蓬勃发展的深空探测任务，一个简单可靠、成本低廉，精度需求不高但是可以覆盖全球的简易卫星导航系统将对新兴星球探测阶段的探测活动提供重要的支持
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种覆盖全球的简易卫星导航系统，解决该问题若采用现有技术实现大范围的信号覆盖，需要建立全球覆盖的不计其数的基站或者需要地面多个测站、控制站，以及在轨多达几十颗的高级卫星的支持，系统造价昂贵、建设周期长在经济上是不可行的问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种星球表面广域探测的卫星导航方法，包括如下步骤(1)采用一组导航卫星通过轨道参数的控制实现空间圆编队，所述一组导航卫星至少包括一主导航卫星，两颗辅导航卫星；(2)获得所有所述导航卫星的空间位置；(3)通过星间链路锁相通信使所有所述导航卫星间的时间同步；(4)所有所述导航卫星向终端用户下发时间信号信息和星历数据信息；(5)终端用户接收所有所述导航卫星的时间信号信息和星历数据信息，利用时差测量和曲线交会解算所述终端用户位置，实现所述终端用户的导航定位。 步骤(I)进一步包括所有所述导航卫星通过轨道参数的控制实现星间距相等且稳定的旋转空间圆编队，所述空间圆编队内的导航卫星的绕飞轨迹平面与终端用户所在星球的水平面的夹角为30°或150°。步骤(2)进一步包括采用天文导航方法实现所有所述导航卫星的自主定轨，进而获得所有所述导航卫星的空间位置。步骤(5)进一步包括(51)当所述终端用户处于所有所述导航卫星信号覆盖区时，接收所有所述导航卫星的时间信号信息，得到不同导航卫星的时间信号信息到达所述终端用户的时间差，进而得到终端用户到不同导航卫星的距离差；(52)结合终端用户到不同导航卫星的距离差以及各导航卫星的星历数据信息，确定一以其中一颗辅导航卫星与主导航卫星为焦点的第一双曲面，以及以另一颗辅导航卫星与主导航卫星为焦点的第二双曲面；(53)根据所述第一、第二双曲面相交的一条曲线与终端用户所在星球的地表模型解算终端用户位置，实现终端用户的导航定位。进一步，采用导航伪解剔除方法解算终端用户位置。为了解决上述问题，本发明还提供了一种星球表面广域探测的卫星导航系统，包括一组导航卫星、空间位置获取装置、时间同步装置、信息传输装置以及位置解算装置；所述一组导航卫星至少包括一主导航卫星，两颗辅导航卫星，所述所有导航卫星通过轨道参数的控制实现空间圆编队；所述空间位置获取装置用于获得所述所有导航卫星的空间位置；所述时间同步装置通过星间链路锁相通信使所有所述导航卫星间的时间同步；所述信息传输装置用于传输所有所述导航卫星向终端用户所在星球表面下发的时间信号信息和星历数据信息；所述位置解算装置用于在所述终端用户接收所有所述导航卫星的时间信号信息和星历数据信息后，利用时差测量和曲线交会解算终端用户的位置，实现终端用户导航定位。进一步，所有所述导航卫星通过轨道参数的控制实现星间距相等且稳定的旋转空间圆编队，所述空间圆编队内的导航卫星的绕飞轨迹平面与终端用户所在星球的水平面的夹角为30°或150°。进一步，所述空间位置获取装置采用天文导航方法实现所有所述导航卫星的自主定轨，进而获得所有所述导航卫星的空间位置。所述位置解算装置进一步包括一信息接收�？�、一双曲面确定�？橐约耙唤馑隳？椋凰鲂畔⒔邮漳？橛糜诘彼鲋斩擞没Тτ谒兴龅己轿佬切藕鸥哺乔保邮账兴龅己轿佬堑氖奔湫藕判畔⒁约案鞯己轿佬堑男抢菪畔ⅲ玫讲煌己轿佬堑氖奔湫藕判畔⒌酱锼鲋斩擞没У氖奔洳睿玫街斩擞没У讲煌己轿佬堑木嗬氩睿凰鏊嫒范？橛糜诮岷纤龈鞯己轿佬堑男抢菪畔⒁约爸斩擞没У讲煌己轿佬堑木嗬氩睿范ㄒ云渲幸豢鸥ǖ己轿佬怯胫鞯己轿佬俏沟愕牡谝凰妫约耙粤硪豢鸥ǖ己轿佬怯胫鞯己轿佬俏沟愕牡诙妫凰鼋馑隳？橛糜诟菟龅谝�、第二双曲面相交的一条曲线与终端用户所在星球的地表模型，采用导航伪解剔除方法解算终端用户位置，实现终端用户的导航定位。本发明的优点在 于(I)可实现参考星的星球表面全覆盖的卫星导航，相比地面基站定位大大提高了覆盖范围；(2)采用三星编队相比GPS等全球定位系统规模�。低臣虻ィ孕绿讲獾男乔蚶此等菀资迪郑眯院茫�(3)各个导航卫星不需搭载昂贵的原子时钟，只要星间保持高精度时间同步即可，系统建设成本低；(4)采用空间圆编队构型，导航卫星的星间距离保持精度高，有效避免三星共线无法定位的情况；( 5 )导航定位解算可以给出精确的代数解，有效解决了定位�：奈侍�。
图1，本发明所述星球表面广域探测的卫星导航方法的流程图；图2，本发明所述空间圆编队导航卫星工作原理模型图；图3，本发明所述空间圆编队导航卫星架构图；图4，编队卫星之间的距离与定位误差的关系图；图5，时钟误差与定位误差的关系图；图6，天文导航原理一实施方式的架构图；图7，定位精度仿真结果示意图；图8，本发明所述星球表面广域探测的卫星导航系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提供的星球表面广域探测的卫星导航方法及系统的具体实施方式
做详细说明。本发明充分结合地面时差测量定位原理和卫星全球覆盖的特点，以一组导航卫星(例如3颗导航卫星)建立空间圆卫星编队，当卫星编队飞临地面导航终端用户上空时，终端用户利用时差测量和曲线交会解算的办法实现导航定位。参考附图I，本发明所述星球表面广域探测的卫星导航方法的流程图，包括如下步骤。Sll :采用一组导航卫星通过轨道参数的控制实现空间圆编队，所述一组导航卫星至少包括一主导航卫星，两颗辅导航卫星。
本实施方式以3颗导航卫星为例来进行说明，3颗卫星在空间上通过轨道参数的控制可以实现三星间距相等且稳定的等边三角形旋转圆的空间圆卫星编队。利用此稳定卫星编队构型可以实现空间稳定的导航几何因子。空间圆卫星编队的导航卫星绕飞轨迹平面与终端用户所在星球的水平面的夹角为30°或150°。此卫星编队构型有较好的星间基线精确保持，可以用做三星编队时差定位的编队构型。S12 :获得所有所述导航卫星的空间位置。可以通过地面测站测定轨或自主定轨的方法获得每颗导航卫星的空间位置。例如 采用天文导航方法实现所有所述导航卫星的自主定轨，进而获得所有所述导航卫星的空间位置。S13 :通过星间链路锁相通信使所有所述导航卫星间的时间同步。通过星间链路方法保证3颗导航卫星间的时间同步，导航卫星间的时间同步是保证双曲线时差测量定位的基础。S14:所有所述导航卫星向终端用户下发时间信号信息和星历数据信息。其中，步骤S12-S14为导航方法的空间部分工作过程，步骤S15为地面导航应用部分的导航工作过程。S15:终端用户接收所有所述导航卫星的时间信号信息和星历数据信息，利用时差测量和曲线交会解算所述终端用户位置，实现所述终端用户的导航定位。本发明提出了双曲线时差测量方法导航，利用终端用户测量导航信息到达自身的时间差即知终端用户到3颗已知基准卫星(即导航卫星)的距离差，并结合高精度星球模型可以解算出两个旋转双曲面与星球表面的交线，交线相交点即为定位点。星球的高精度模型，比如月球模型，火星模型等，可以从相关研究机构得到高精度的模型；如果定位精度要求不高，也可采用一般精度的星球模型。具体包括以下步骤S151 :当所述终端用户处于所有所述导航卫星信号覆盖区时，接收所有所述导航卫星的时间信号信息，得到不同导航卫星的时间信号信息到达所述终端用户的时间差，进而得到不同导航卫星到终端用户的距离差；S152 :结合终端用户到不同导航卫星的距离差以及各导航卫星的星历数据信息，确定一以其中一颗辅导航卫星与主导航卫星为焦点的第一双曲面，以及以另一颗辅导航卫星与主导航卫星为焦点的第二双曲面；S153 :根据所述第一、第二双曲面相交的一条曲线与终端用户所在星球的地表模型解算终端用户位置，实现终端用户的导航定位。其中，可以采用导航伪解剔除方法解算终端用户位置，使得终端用户的定位不存在�：�。参考附图2，本发明所述空间圆编队导航卫星工作原理模型图，包括卫星编队系统构成的空间部分和终端用户的地面导航应用部分组成，为被动接收式导航系统。对于空间部分工作过程如下，3颗卫星构成编队，包括一颗主导航卫星(以下简称主星，例如图中所示卫星A)，两颗辅导航卫星(以下简称辅星，例如图中所示卫星B、卫星C);首先通过地面测站测定轨或自主定轨的方法获得每颗导航卫星的空间位置，主星空间位置为(Xtl, y0, Ztl),辅星为(Xi, Yi, Zi),其中i = 1，2 ;其次通过星间链路锁相通信确保导航卫星间的高精度时间同步；然后卫星编队系统向地面下发时间信号信息和星历数据信息。对于终端用户的地面导航应用部分，导航工作过程为当终端用户处于卫星编队系统信号覆盖区时，终端用户接收3颗导航卫星的时间信号信息，确定3颗导航卫星的时间信号信息到终端用户自身的时间差ti (i = O，I, 2)，即可得出终端用户到3颗导航卫星的距离差Ar，结合3颗导航卫星的星历数据即可确定一以其中一颗辅星与主星为焦点的第一双曲面(如图2所示11)，以及以另一颗辅星与主星为焦点的第二双曲面(如图2所示12)；根据两个双曲面相交的一条曲线与星球地表模型即可解算用户位置T(x，y, z)。假设通过天文观测手段得出终端用户所在星球(以下简称参考星)为一半径为R的球型，为方便解算，把参考星视为一颗位置在参考星中心点(x3，y3，z3)的卫星，则参考星到用户距离为R，参考星的时间信号信息到终端用户自身的时间差t3 = R/c (其中c为光速)。建立坐标系,原点设在参考星中心,则参考星的位置为(X3 = 0, y3 = 0，Z3 = 0),则方位解算方程可写为
权利要求
1.一种星球表面广域探测的卫星导航方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)采用一组导航卫星通过轨道参数的控制实现空间圆编队，所述一组导航卫星至少包括一主导航卫星，两颗辅导航卫星； (2)获得所有所述导航卫星的空间位置； (3)通过星间链路锁相通信使所有所述导航卫星间的时间同步； (4)所有所述导航卫星向终端用户下发时间信号信息和星历数据信息； (5)终端用户接收所有所述导航卫星的时间信号信息和星历数据信息，利用时差测量和曲线交会解算所述终端用户位置，实现所述终端用户的导航定位。
2.根据权利要求I所述星球表面广域探测的卫星导航方法，其特征在于，步骤(I)进一步包括所有所述导航卫星通过轨道参数的控制实现星间距相等且稳定的旋转空间圆编队，所述空间圆编队内的导航卫星的绕飞轨迹平面与终端用户所在星球的水平面的夹角为30。或 150。。·
3.根据权利要求I所述星球表面广域探测的卫星导航方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括采用天文导航方法实现所有所述导航卫星的自主定轨，进而获得所有所述导航卫星的空间位置。
4.根据权利要求I所述星球表面广域探测的卫星导航方法，其特征在于，步骤(5)进一步包括 (51)当所述终端用户处于所有所述导航卫星信号覆盖区时，接收所有所述导航卫星的时间信号信息，得到不同导航卫星的时间信号信息到达所述终端用户的时间差，进而得到终端用户到不同导航卫星的距离差； (52)结合终端用户到不同导航卫星的距离差以及各导航卫星的星历数据信息，确定一以其中一颗辅导航卫星与主导航卫星为焦点的第一双曲面，以及以另一颗辅导航卫星与主导航卫星为焦点的第二双曲面； (53)根据所述第一、第二双曲面相交的一条曲线与终端用户所在星球的地表模型解算终端用户位置，实现终端用户的导航定位。
5.根据权利要求I或4所述星球表面广域探测的卫星导航方法，其特征在于，采用导航 伪解剔除方法解算终端用户位置。
6.一种星球表面广域探测的卫星导航系统，其特征在于，包括一组导航卫星、空间位置获取装置、时间同步装置、信息传输装置以及位置解算装置； 所述一组导航卫星至少包括一主导航卫星，两颗辅导航卫星，所述所有导航卫星通过轨道参数的控制实现空间圆编队； 所述空间位置获取装置用于获得所述所有导航卫星的空间位置； 所述时间同步装置通过星间链路锁相通信使所有所述导航卫星间的时间同IK 少； 所述信息传输装置用于传输所有所述导航卫星向终端用户所在星球表面下发的时间信号信息和星历数据信息； 所述位置解算装置用于在所述终端用户接收所有所述导航卫星的时间信号信息和星历数据信息后，利用时差测量和曲线交会解算终端用户的位置，实现终端用户导航定位。
7.根据权利要求6所述星球表面广域探测的卫星导航系统，其特征在于，所有所述导航卫星通过轨道参数的控制实现星间距相等且稳定的旋转空间圆编队，所述空间圆编队内的导航卫星的绕飞轨迹平面与终端用户所在星球的水平面的夹角为30°或150°。
8.根据权利要求6所述星球表面广域探测的卫星导航系统，其特征在于，所述空间位置获取装置采用天文导航方法实现所有所述导航卫星的自主定轨，进而获得所有所述导航卫星的空间位置。
9.根据权利要求6所述星球表面广域探测的卫星导航系统，其特征在于，所述位置解算装置进一步包括一信息接收�？�、一双曲面确定�？橐约耙唤馑隳？椋� 所述信息接收�？橛糜诘彼鲋斩擞没Тτ谒兴龅己轿佬切藕鸥哺乔保邮账兴龅己轿佬堑氖奔湫藕判畔⒁约案鞯己轿佬堑男抢菪畔ⅲ玫讲煌己轿佬堑氖奔湫藕判畔⒌酱锼鲋斩擞没У氖奔洳睿玫街斩擞没У讲煌己轿佬堑木嗬氩睿� 所述双曲面确定�？橛糜诮岷纤龈鞯己轿佬堑男抢菪畔⒁约爸斩擞没У讲煌己轿佬堑木嗬氩睿范ㄒ云渲幸豢鸥ǖ己轿佬怯胫鞯己轿佬俏沟愕牡谝凰妫约耙粤硪豢鸥ǖ己轿佬怯胫鞯己轿佬俏沟愕牡诙妫� 所述解算�？橛糜诟菟龅谝弧⒌诙嫦嘟坏囊惶跚哂胫斩擞没谛乔虻牡乇砟Ｐ停捎玫己轿苯馓蕹椒ń馑阒斩擞没恢茫迪种斩擞没У牡己蕉ㄎ弧�
全文摘要
一种星球表面广域探测的卫星导航方法，包括如下步骤(1)采用一组导航卫星通过轨道参数的控制实现空间圆编队，所述一组导航卫星至少包括一主导航卫星，两颗辅导航卫星；(2)获得所有所述导航卫星的空间位置；(3)通过星间链路锁相通信使所有所述导航卫星间的时间同步；(4)所有所述导航卫星向终端用户下发时间信号信息和星历数据信息；(5)终端用户接收所有所述导航卫星的时间信号信息和星历数据信息，利用时差测量和曲线交会解算所述终端用户位置，实现所述终端用户的导航定位。本发明所述方法可实现需要导航的终端用户所在参考星的星球表面全覆盖的卫星导航，且系统规模�。眯院谩⒔ㄉ璩杀镜�。
文档编号G01S19/42GK102736091SQ20121022411
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者吴会英, 张晟宇, 王江秋, 赵灵峰, 陈宏宇 申请人:上海微小卫星工程中心
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