辅助月球探测器GNSS接收机信号捕获的方法

技术领域

本发明涉及月球与深空测控技术领域，具体涉及一种辅助月球探测器GNSS接收机信号捕获的方法。

背景技术

随着我国月球探测工程的不断推进，应用于地月往返、环月轨道、月球中继、月球基地、月表着陆巡视等环境下的探测器越来越多，实时、准确地获得为探测器提供位置、速度和时间等导航信息是测控系统的重要任务之一。目前，用于月球探测器的测量与导航技术主要包括地基测定轨和天基自主导航两种方式。天基自主导航主要利用星载的恒星敏感器、太阳敏感器、惯性导航设备等实现实时自主定位导航，精度达到公里级，难以满足未来月球探测任务高精度导航需要。以全球分布的深空测控站测距测速和甚长基线干涉测量(VLBI)系统形成的地基测定轨系统受地月位置关系制约，需要全球布站以提高测控弧段，其建设和维护成本较大。而基于GNSS技术对月球探测器进行自主导航，不仅可以大大减轻地面测控站的负担，还能为探测器提供实时、自主的导航服务。

但是，GNSS导航卫星天线主瓣波束主要覆盖距离地面3000km以下的区域。月球探测器GNSS接收机只能收到来自地球另一侧的导航卫星所发射的导航信号，这时，发射天线的主瓣波束信号大部分被地球遮挡，需要利用功率比主瓣信号功率低15dB以上的旁瓣信号。而且，月球探测器GNSS接收机与导航卫星之间的距离达到40万千米，信号的自由空间路径损耗达20dB以上。这需要GNSS接收机具备高灵敏度信号接收的能力，一般要求达到-190dBW。这对GNSS接收机设计带来新的挑战。

根据我国未来无人和载人月球探测、行星探测工程等任务规划，在后续5～10年，将全面开展嫦娥六号、七号、八号月球探测任务，天问二号、三号、四号行星探测任务以及载人月球探测任务。因此，未来在轨的月球与深空探测器的数量将急剧增加，而且未来任务的周期也会更长，通常会长达数月至数年，甚至数十年。仅利用地基深空网现有测控设备对数十个探测器同时进行跟踪测量，面临测控资源紧缺，甚至无法满足多目标实时导航的需求。为此，探测器将装载高灵敏度GNSS导航接收机实现自主导航，但由于地月空间距离远，探测器接收的GNSS信号减弱，可见星数更少，测量几何更差，这将极大地影响GNSS导航性能。因此，需要设计一种辅助月球探测器GNSS接收机信号捕获方法，以可以提高导航信号接收灵敏度，缩短接收机首次启动时间，提升GNSS导航技术在月球探测器导航中的可用性。

发明内容

有鉴于此，针对月球探测器接收GNSS信号弱、对接收机灵敏度要求极高的问题，本发明提出一种辅助月球探测器GNSS接收机信号捕获的方法，可以提高导航信号接收灵敏度，缩短接收机首次启动时间，具有广阔的实际工程应用前景。

为实现上述本发明的目的，本发明实施例的辅助月球探测器GNSS接收机信号捕获的方法，包括：

S1，在地面测控站装载GNSS接收机，通过所述GNSS接收机接收导航电文和飞行控制中心发布的月球探测器星历信息；

S2，地面测控站根据所述S1的接收信息生成辅助信息，并通过测控上行链路向月球探测器发送所述辅助信息；

S3，月球探测器通过测控天线接收所述辅助信息，并经过低噪声放大器后将接收信号分为两路，一路经过下变频器后到达测控应答机的接收机并对测控信息进行解调，用于正常测控，另一路经过下变频器后到达月球探测器装载的专用GNSS导航接收机并解调，得到所述辅助信息；

S4，月球探测器利用所述辅助信息识别接收信号中的电文内容和跳变位置，从而进行导航电文数据擦除；

S5，利用所述辅助信息计算月球探测器的可见GNSS卫星的多普勒和多普勒变化率，对月球探测器的接收信号进行动态补偿；

S6，利用基于快速傅里叶变换的并行码相位搜索算法完成信号捕获。

优选地，所述S1中，所述月球探测器星历信息包括时间信息、CGCS 2000坐标系下的位置和速度分量信息。

优选地，所述S2中，所述通过测控上行链路向月球探测器发送所述辅助信息时，结合地面测控站的时隙要求分时发送。

优选地，所述S4中，从所述辅助信息中获取导航电文信息和接收机本地时间信息，得到毫秒量级的信号达到时刻估计值以及原始导航电文比特流信息，从而识别出接收信号中电文内容和跳变位置，并用于导航电文擦除。

本发明实施例的方法利用地面测控站将GNSS卫星的星历信息等辅助信息发送给月球探测器，实现导航电文数据擦除和接收信号动态补偿，从而有效提高接收灵敏度，缩短接收机首次启动时间。本发明可以有效提升GNSS接收机灵敏度，实现月球探测器的GNSS导航。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的辅助信息注入示意图。

具体实施方式

此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。

如图1所示，本发明实施例的辅助月球探测器GNSS接收机信号捕获的方法，包括：

S1，在地面测控站装载GNSS接收机，通过所述GNSS接收机接收导航电文和飞行控制中心发布的月球探测器星历信息。

地面测控站装载GNSS接收机，可以兼容北斗、GPS和GLONASS等系统，接收导航电文。同时，地面测控站接收飞行控制中心发布的月球探测器星历信息，主要包括时间信息、CGCS2000坐标系下位置和速度分量信息等。

S2，地面测控站根据所述S1的接收信息生成辅助信息，并通过测控上行链路向月球探测器发送所述辅助信息。

将S1中接收到的GNSS导航电文和月球探测器星历信息进行综合，生成辅助信息。考虑到GNSS卫星星历有效期为2小时，可以结合地面测控站时隙要求进行分时发送。

S3，月球探测器通过测控天线接收所述辅助信息，并经过低噪声放大器后将接收信号分为两路，一路经过下变频器后到达测控应答机的接收机并对测控信息进行解调，用于正常测控，另一路经过下变频器后到达月球探测器装载的专用GNSS导航接收机并解调，得到所述辅助信息。

S4，月球探测器利用所述辅助信息识别接收信号中的电文内容和跳变位置，从而进行导航电文数据擦除。

从解调得到的辅助信息中，可以直接获取导航电文信息和接收机本地时间信息等，得到毫秒量级的信号达到时刻估计值以及原始导航电文比特流信息，从而识别出接收信号中电文内容和跳变位置，用于导航电文擦除以延长相干积分时间，有效提升北斗导航信号捕获的灵敏度。

S5，利用所述辅助信息计算月球探测器的可见GNSS卫星的多普勒和多普勒变化率，对月球探测器的接收信号进行动态补偿。

完成导航电文擦除后，相干积分时长得到增长，但会造成搜索步进的减少，增大搜索次数。因此，利用辅助信息中的GNSS星历、月球探测器星历信息等计算可见GNSS卫星的多普勒和多普勒变化率，对接收信号进行动态补偿，减少信号搜索范围，从而减小捕获时间。

S6，利用基于快速傅里叶变换的并行码相位搜索算法完成信号捕获。

本发明实施例的方法可以利用辅助信息增加相干积分时长，有效提高接收灵敏度，实现GNSS弱信号快速捕获，缩短接收机首次启动时间，从而提升月球探测器GNSS接收机的导航定位性能，用于月球探测器导航和轨道确定。

以下结合具体实例进一步详细介绍本发明的方法：

S1，地面测控站装载GNSS接收机接收导航电文，同时接收飞行控制中心发布的月球探测器星历信息。

在喀什、佳木斯、阿根廷以及青岛和纳米比亚等现有地面测控站安装1台/套兼容北斗、GPS和GLONASS等系统的GNSS接收机，接收GNSS导航电文。以北斗卫星导航系统的导航电文为例，根据《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号(2.1版)》，北斗卫星播发的导航电文按速率和结构可以分为D1和D2两种，具体如表1所示。

D1导航电文由中地球轨道(MEO)/倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星播发，内容包含基本导航信息(本卫星基本导航信息、全部卫星历书信息、与其它系统时间同步信息)。

D2导航电文由地球静止轨道(GEO)卫星信号播发，速率为500bps，内容包含基本导航信息和增强服务信息(北斗系统的差分及完好性信息和格网点电离层信息)。北斗卫星播放的导航电文中包含本颗卫星的详细位置时间信息(星历)以及其他卫星的粗略信息(历书)以及与其他系统同步(D2导航电文)等内容。

D1和D2导航电文每帧电文长度均为1500bit，D1导航电文速率为50bps，D2导航电文速率是500bps。因此，D1导航电文每帧电文播发周期30s，卫星星历和钟差参数包含在子帧1～子帧3中，完整接收一次需30s；D2导航电文每帧电文播发周期3s，卫星星历和钟差参数分散编排在子帧1的10个页面中，完整接收也需要30s。

同时，这些测控站地面通信网络实时接收飞行控制中心发布的月球探测器星历信息，主要包括时间信息、CGCS2000坐标系下位置和速度分量信息等，见表2所示。按照1s间隔发送，长度为320bit。该信息在实际任务中也由飞行控制中心实时传送给地面测控站用于测控设备的引导，因此，不额外增加飞行控制中心和地面通信网络的工作量。

表2月球探测器星历信息内容

S2，地面测控站综合GNSS钟差、广播星历、月球探测器位置和速度等信息生成辅助信息，并利用测控上行链路向月球探测器发送辅助信息。

根据S1的信息内容，将接收到的GNSS导航电文和月球探测器星历信息综合生成辅助信息，具体如表3所示。根据地面测控站时隙要求，分时通过测控上行链路进行发送。

表3辅助信息及使用策略

S3，探测器测控天线接收到测控上行信号，经低噪声放大器后，将信号分为两路，1路经过下变频器后到达测控应答机的接收机，由接收机对测控信息进行解调，开展正常测控；另1路经过下变频器后到达探测器装载的专用GNSS导航接收机，由接收机解调地面测控站发送的辅助信息。

S4，利用导航电文等辅助信息识别出接收信号中的电文内容和跳变位置，实现导航电文数据擦除。

从辅助信息中获取导航电文信息和接收机本地时间信息等，得到毫秒量级的信号达到时刻估计值以及原始导航电文比特流信息，从而识别出接收信号中电文内容和跳变位置，用于导航电文擦除，延长相干积分时间至200ms，有效提升北斗导航信号捕获灵敏度约20dB。

S5，利用GNSS星历、月球探测器位置和速度等辅助信息计算可见GNSS卫星的多普勒和多普勒变化率等，对接收信号进行动态补偿

由于导航电文擦除后可以延长相干积分时长，但会导致搜索步进的减少，搜索次数的增多，因此，需要利用辅助信息中的GNSS星历、月球探测器星历信息等计算可见GNSS卫星的多普勒和多普勒变化率，对接收信号进行动态补偿，将信号搜索范围减少到100Hz量级，从而减小捕获时间。

S6，利用基于快速傅里叶变换的并行码相位搜索算法完成信号捕获。

使用基于快速傅里叶变换的并行码相位搜索算法完成信号捕获，捕获参数设置如表4所示，经过多次非相干积分后，可以获取到足够的检测信噪比。

表4基于辅助信息的高灵敏度捕获参数

使用表4中的捕获参数进行仿真，结果表明：基于辅助信息，GNSS接收机能够快速捕获信号、接收电文，完成信号解调后即可开始导航定位，将首次启动时间减少到1分钟以内。相比无辅助信息的情况，考虑信号捕获、导航电文接收和解调时间，接收机冷启动时间约为10分钟。

综上，采用本发明可以有效提高月球探测器GNSS导航接收机的捕获灵敏度，实现地月空间GNSS弱信号的快速捕获，缩短接收机首次启动时间，有效提高月球探测器GNSS导航定位性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。