[發明專利]星球表面廣域探測的衛星導航方法及系統

有效

• 申請號: 201210224111.1
• 申請日: 2012-06-29
• 公開（公告）號: CN102736091A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 陳宏宇;趙靈峰;吳會英;王江秋;張晟宇
• 申請（專利權）人: 上海微小衛星工程中心
• 主分類號: G01S19/42
• 分類號: G01S19/42
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 孫佳胤;翟羽

技術領域

本發明涉及航天技術中衛星導航技術領域，尤其涉及一種星球表面廣域探測的衛星導航方法及系統。

背景技術

隨著深空探測的深入，對某些重要星球需要登錄探測，開展長期駐留研究，甚至建立長期基地。屆時，對在星球表面大范圍開展研究的探測器或其他探測單元，非常有必要知道其所處的位置，即對該星球表面用戶導航定位。并且此類探測任務對導航定位的需求略有不同，其對實時性和精度要求并不是很高，更關注的使用需求一是覆蓋范圍廣，即使離開基地很遠也可以定位；二是在迷途的情況下能有效給出位置，哪怕是一天一次定位也可以保證安全返回或到達集結點的正確方向。

目前，建立在地球表面的測控站（深空探測網）由于距離該星球可能很遠或信號遮擋（如月球背面）而難以發揮有效作用；探測器攜帶的慣性導航系統和圖像匹配系統支持的導航距離非常有限。建立該星球的導航系統才是有效的解決途徑，目前在月球和火星等表面尚未建立導航系統，直接移植地球上目前流行的導航系統并不適宜。

現有的導航技術有地面時差測量導航和天基衛星導航兩種方式。

地面的導航主要是針對局部小區域建立三個以上的基準點（基站），利用導航終端用戶測量到達各個基站的時間差解算自身方位。利用到達時差（TDOA，Time?Difference?Of?Arrival）進行導航的定位系統開始于20世紀60年代的羅蘭(LORAN)系統，至今已發展到第四代，目前羅蘭-C的應用最為廣泛：俄羅斯的“MC5-90”系統采用三站時差定位并廣泛應用于防空體系，烏克蘭的“卡拉秋塔”系統、捷克的“塔瑪拉”系統、以色列“EL/L-8388”系統都是時差定位系統。常見的手機基站定位服務，基本屬于時差定位方式。但地面導航定位方式依賴于基站，對新探測的星球，在該星球上建立地基無線信號區域差分導航可以解決局部區域的定位問題，但對于該星球的全球大范圍探索，若想實現大范圍的信號覆蓋，需要建立全球覆蓋的不計其數的基站，在經濟上是不可行的。

另一類天基衛星導航定位是將基準點從地面搬到了天上，利用在軌運行的數十顆衛星構成星座，每顆基準衛星播發導航信號，為地面提供導航基準。目前運行的成熟衛星導航系統有美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS和歐盟的伽利略系統。采用目前世界上流行的全球衛星星座導航，可以實現全球覆蓋，但系統造價昂貴、建設周期長，需要地面多個測站、控制站，且由于導航幾何因子約束，還需要在軌多達幾十顆的高級衛星的支持，在星球探測初期是不經濟的。

因此，對于日益蓬勃發展的深空探測任務，一個簡單可靠、成本低廉，精度需求不高但是可以覆蓋全球的簡易衛星導航系統將對新興星球探測階段的探測活動提供重要的支持。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種覆蓋全球的簡易衛星導航系統,解決該問題若采用現有技術實現大范圍的信號覆蓋，需要建立全球覆蓋的不計其數的基站或者需要地面多個測站、控制站，以及在軌多達幾十顆的高級衛星的支持，系統造價昂貴、建設周期長在經濟上是不可行的問題。

為了解決上述問題，本發明提供了一種星球表面廣域探測的衛星導航方法，包括如下步驟：（1）采用一組導航衛星通過軌道參數的控制實現空間圓編隊，所述一組導航衛星至少包括一主導航衛星，兩顆輔導航衛星；（2）獲得所有所述導航衛星的空間位置；（3）通過星間鏈路鎖相通信使所有所述導航衛星間的時間同步；（4）所有所述導航衛星向終端用戶下發時間信號信息和星歷數據信息；（5）終端用戶接收所有所述導航衛星的時間信號信息和星歷數據信息，利用時差測量和曲線交會解算所述終端用戶位置，實現所述終端用戶的導航定位。

步驟（1）進一步包括：所有所述導航衛星通過軌道參數的控制實現星間距相等且穩定的旋轉空間圓編隊，所述空間圓編隊內的導航衛星的繞飛軌跡平面與終端用戶所在星球的水平面的夾角為30°或150°。

步驟（2）進一步包括：采用天文導航方法實現所有所述導航衛星的自主定軌，進而獲得所有所述導航衛星的空間位置。

步驟（5）進一步包括：（51）當所述終端用戶處于所有所述導航衛星信號覆蓋區時，接收所有所述導航衛星的時間信號信息，得到不同導航衛星的時間信號信息到達所述終端用戶的時間差，進而得到終端用戶到不同導航衛星的距離差；（52）結合終端用戶到不同導航衛星的距離差以及各導航衛星的星歷數據信息，確定一以其中一顆輔導航衛星與主導航衛星為焦點的第一雙曲面，以及以另一顆輔導航衛星與主導航衛星為焦點的第二雙曲面；（53）根據所述第一、第二雙曲面相交的一條曲線與終端用戶所在星球的地表模型解算終端用戶位置，實現終端用戶的導航定位。