一种地月空间航天器单向自主导航方法技术

一种地月空间航天器单向自主导航方法，首先统一时间基准，使用中继卫星第一阵列天线接收旁瓣信号或深空站上行信号，得到GNSS卫星或深空站到L2中继星的距离以及到第一阵列天线的俯仰角、方位角，然后地月空间航天器向第二阵列天线发射信令信号，得到信令信号到达第二阵列天线平面的俯仰角、方位角，使用第二阵列天线发射下行测距信号，得到地月空间航天器与地月L2中继星的下行距离，进而得到上行信号、下行信号的夹角，最后计算地球GNSS卫星或深空站被月球遮挡距离，得到地月空间航天器三维位置，完成地月空间航天器单向自主导航。

【技术实现步骤摘要】
一种地月空间航天器单向自主导航方法
本专利技术涉及深空导航定位
，特别是一种地月空间航天器单向自主导航方法。
技术介绍
现阶段，由于月球上没有类似于“北斗”的卫星导航基础设施，月球探测活动中月球探测器的导航由地球上的深空网提供，通过S/X波段测控体制测距、测速和甚长基线干涉测量(VLBI,VeryLongBaselineInterferometry)测角实现。然而，由于无线电信号的视线传播特性，地面深空网只能支持在月球正对地球的一面(月球正面)的月面用户的双向导航。由于月球背面受到其自身的遮蔽而接收不到来自地球的无线电信号，故基于地面深空网的月球导航存在无法为月球背对地球的一面(月球背面)的月面用户提供导航服务的难点。月球遮挡约束下的月球用户高精度实时导航是困扰人们的一个研究难题，目前覆盖月球背面的无线电基础设施较少，尚无经济且行之有效的解决途径，其直接制约着月球背面科学考察、月球资源开发利用、月球资源运输、月背面载人登月等有重要科学意义和高应用价值活动的开展。因此，有必要研究融合利用地球空间无线电基础设施和覆盖月球背面的无线电基础设施，支持月球背面探月器着陆、月面勘探等用户实时高精度的三维绝对导航方法。如何利用地月空间的现有空间无线电基础设施，实现地月空间航天器单向自主导航，是实现未来月球资源探测开发、实现月球背面载人登月的关键技术之一。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种地月空间航天器单向自主导航方法，利用月球空间地月拉格朗日L2点的Halo轨道中继星将地球空间的深空站、GNSS星座空间服务空域(spaceservicevolume，SSV)中的上行测距信号进行单向转发给地月空间航天器，地月空间航天器结合地月拉格朗日L2点的Halo轨道中继星的下行测距信号以及上下行信号的夹角实现对其自身的自主导航，是解决目前地月空间航天器自主导航，尤其是受月球遮挡的航天器自主导航的有效途径。本专利技术的技术解决方案是：一种地月空间航天器单向自主导航方法，包括如下步骤：(1)将GNSS卫星、深空站、L2中继星的时间基准进行统一；(2)将L2中继星照向地球的阵列天线记为第一阵列天线，将L2中继星照向地月空间航天器的阵列天线记为第二阵列天线，使用第一阵列天线接收旁瓣信号或深空站上行信号，进而得到GNSS卫星或深空站到L2中继星的距离其中，旁瓣信号或深空站上行信号的和为n，n不小于3，i为不大于n的正整数，旁瓣信号为GNSS星座卫星发送；(3)测量计算GNSS卫星或深空站到地月L2中继星第一阵列天线的的俯仰角方位角(4)控制地月空间航天器向第二阵列天线发射信令信号，测量得到信令信号到达第二阵列天线平面的俯仰角方位角(5)使用第二阵列天线向地月空间航天器发射下行测距信号，测量得到地月空间航天器与地月L2中继星的下行距离(6)计算第i个GNSS卫星或深空站到地月L2中继星的上行信号、地月L2中继星到地月空间航天器下行信号的夹角φi；(7)计算得到第i个地球GNSS卫星或深空站被月球遮挡距离γi；(8)解算地月空间航天器三维位置(x,y,z)T，进而完成地月空间航天器单向自主导航。所述的GNSS卫星、深空站、L2中继星的时间基准为北斗时、GPS时。所述的GNSS卫星或深空站到L2中继星的距离的计算方法为伪距测量。所述的测量计算GNSS卫星或深空站到地月L2中继星第一阵列天线的的俯仰角方位角的方法为二维阵列空间谱估计。所述的控制地月空间航天器向第二阵列天线发射的信号还包括信令数据，信令数据包括识别不同地月空间航天器用户编号、记录信令数据发生时间的时间戳、信令数据类型。所述的下行测距信号与信令信号采用频分的方式实现全双工。所述的第i个GNSS卫星或深空站到地月L2中继星的上行信号、地月L2中继星到地月空间航天器下行信号的夹角φi的计算方法为：设第一阵列天线平面在ECEF坐标系下的方程为a1x+b1y+c1z+d1＝0其中，n1＝(a1,b1,c1)T是第一阵列天线面的法向量，来自GNSS卫星或地面深空站的入射信号在ECEF坐标系下的矢量riup为设第二阵列天线平面在ECEF坐标系下的方程为a2x+b2y+c2z+d2＝0其中，n2＝(a2,b2,c2)T是第二阵列天线面的法向量，来自地月航天器的入射信号在ECEF坐标系下的矢量为进而得到第i个GNSS卫星或深空站到地月L2中继星的上行信号、地月L2中继星到地月空间航天器下行信号的夹角为所述的计算得到第i个地球GNSS卫星或深空站被月球遮挡距离γi的方法为：所述的解算地月空间航天器三维位置(x,y,z)T的方法为：其中，(x0,y0,z0)T是地月L2中继星在ECEF坐标系下的位置坐标，(xi,yi,zi)T是第i个GNSS卫星位置或深空站在ECEF坐标系下的位置坐标，cδ1为地月L2中继星的钟差，cδ2为地月空间航天器的钟差，c为光速。一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求9任一所述方法的步骤。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术提供一种地月空间航天器单向自主导航方法，可在月球对地面GNSS和深空站信号遮挡的情况下，利用地月L2点中继星对遮挡信号进行多源转发实现对地月空间航天器自主导航；(2)本专利技术地月空间航天器导航方法不需要求解用户的钟差和地月L2点中继星的钟差，具有很好的使用价值。附图说明图1为本专利技术地月空间航天器单向自主导航应用场景；图2是本专利技术地月空间航天器单向自主导航流程图；图3是本专利技术月球遮挡距离恢复原理图。具体实施方式本专利技术针对现有技术的不足，提出一种地月空间航天器单向自主导航方法，利用月球背面的地月拉格朗日点的Halo轨道中继星将地球深空站、GNSS星座空间服务空域(spaceservicevolume，SSV)中的上行测距信号进行单向转发给地月空间航天器，结合地月拉格朗日点的Halo轨道中继星到地月空间航天器的下行信号、GNSS卫星或深空站到地月拉格朗日点的Halo轨道中继星的上行信号的夹角实现对地月空间航天器的自主导航，是解决目前地月空间航天器自主导航，尤其是受月球遮挡的航天器自主导航的有效途径。本专利技术地月空间航天器单向自主导航应用场景如图1所示，单颗地月拉格朗日点的Halo轨道中继星L2将地面深空网的多路上行无线电信号或多颗地球空间GNSS卫星的旁瓣信号再生转发给月球背面导航用户，地月空间航天器利用L2入站与出站信号夹角角度信息以及中继转发前后向的距离信息，对受月球遮挡的距离进行恢复重建再生；以重建再生后距离差分作为观测量，采用非迭代的解析解算出地月空间航天器三维坐标，实现月球背面接收用户近似实时三维绝对导航。本专利技术以单颗地月拉格朗日点的Halo轨道中继星L2为桥梁，使月球背面用户可以利用多个地球空间时空基准节点实现自身导航，导航流程如下图2所示。单颗地月拉格朗日点的Halo轨道中继星L2接收三个以上GNSS星座SSV信号及深空站的上行信号，并分别进行上行信号伪码测距获得L2与可见的GNSS卫星、地面深空站之间的距离，通过阵列天线测得上行信号的入射角，地月空间航天器与L2之间的下行距离通过单向测距实现。同时，L2接收地月空间航天本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地月空间航天器单向自主导航方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将GNSS卫星、深空站、L2中继星的时间基准进行统一；(2)将L2中继星照向地球的阵列天线记为第一阵列天线，将L2中继星照向地月空间航天器的阵列天线记为第二阵列天线，使用第一阵列天线接收旁瓣信号或深空站上行信号，进而得到GNSS卫星或深空站到L2中继星的距离

【技术特征摘要】
1.一种地月空间航天器单向自主导航方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将GNSS卫星、深空站、L2中继星的时间基准进行统一；(2)将L2中继星照向地球的阵列天线记为第一阵列天线，将L2中继星照向地月空间航天器的阵列天线记为第二阵列天线，使用第一阵列天线接收旁瓣信号或深空站上行信号，进而得到GNSS卫星或深空站到L2中继星的距离其中，旁瓣信号或深空站上行信号的和为n，n不小于3，i为不大于n的正整数，旁瓣信号为GNSS星座卫星发送；(3)测量计算GNSS卫星或深空站到地月L2中继星第一阵列天线的的俯仰角方位角(4)控制地月空间航天器向第二阵列天线发射信令信号，测量得到信令信号到达第二阵列天线平面的俯仰角方位角(5)使用第二阵列天线向地月空间航天器发射下行测距信号，测量得到地月空间航天器与地月L2中继星的下行距离(6)计算第i个GNSS卫星或深空站到地月L2中继星的上行信号、地月L2中继星到地月空间航天器下行信号的夹角φi；(7)计算得到第i个地球GNSS卫星或深空站被月球遮挡距离γi；(8)解算地月空间航天器三维位置(x,y,z)T，进而完成地月空间航天器单向自主导航。2.根据权利要求1所述的一种地月空间航天器单向自主导航方法，其特征在于：所述的GNSS卫星、深空站、L2中继星的时间基准为北斗时、GPS时。3.根据权利要求1或2所述的一种地月空间航天器单向自主导航方法，其特征在于：所述的GNSS卫星或深空站到L2中继星的距离的计算方法为伪距测量。4.根据权利要求1或2所述的一种地月空间航天器单向自主导航方法，其特征在于：所述的测量计算GNSS卫星或深空站到地月L2中继星第一阵列天线的的俯仰角方位角的方法为二维阵列空间谱估计。5.根据权利要求1或2所述的一种地月空间航天器单向自主导航方法，其特征在于：所述的控制地月空间航天器向第二阵列天线发射的信号还包括信令...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷文英，蒙艳松，严涛，王国永，边朗，王瑛，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61