基于北斗和CEI的地月航天器测量及载噪比分析方法

　　本发明属于航天器信号测量与处理，具体涉及一种基于北斗和cei的地月航天器测量及载噪比分析方法。

　　2、地月空间是近地轨道空间的自然延伸，广义上，地月空间是以地球和月球引力为主导的区域，包括近地空间、月球引力空间和地月转移空间；狭义上，地月空间特指地球同步带以外的地月转移空间、月球引力空间。作为人类走向深空的第一站，地月空间存在着各类物质、能源、环境、位置等稀缺战略资源，是未来很长一段时间内人类生存与发展的战略空间，相关的主要应用包括空间对抗、在轨服务与维护、空间科学与应用、支持近地轨道以远载人探索等应用。未来相当长的一段时间内，地月空间仍然是航天任务活动的主要目的地和前哨基地,以此为基础可以探索更远的深空，可以预见我国航天活动将进一步聚焦于地月空间。在地月空间探索的各个阶段，高精度的导航、定位和授时(pnt)具有重要应用意义。地月空间的相关范围的示意图如图1所示(图中含有地面的中短基线干涉测量(cei)观测阵列以及重要轨道高度的非合作航天器)。

　　3、未来的月球探索活动对月球探测器定轨精度、实时性和适用场景均提出了更高的要求。对于地月空间非合作航天器的高精度测量、精密定轨和定位是一项基础性、前沿性的研究工作，到目前为止，对其的测定轨手段基本上还是依赖地基测量技术，包括地基无线电测距测速和干涉测量，利用地基测定轨系统获取高精度轨道需长时间连续跟踪，尤其是地月之间的转移轨道段，地基连续跟踪时星空综合间要求更长，而且探测器距离地球越远地基测量的几何构型越差，由此也限制了完全基于地基测量技术的地月空间非合作航天器的定轨精度和适用范围。

　　4、随着地月空间探测的开展，测控手段将从目前以地基测量技术为主转向天基测量技术，包括星间测距技术和星载gnss漏信号技术，这些技术在目前的地球卫星导航系统中已经得到了充分应用，扩展到地月空间是发展趋势。国内外在本领域已经开展了一系列前沿探索，包括基于月球平动点轨道的星座自主定轨研究、平动点探测器与地球导航卫星联合自主定轨技术研究、平动点与月球轨道探测器自主定轨研究、地月三角平动点的探测器自主定轨、基于dro-leo编队的地月探测器自主导航与授时系统。但目前以上研究主要局限于实现地月空间航天器的自主实时导航等方面，对于本发明所研究的地月空间非合作航天器的有效跟踪与测量，仍缺乏可靠的手段。

　　5、基于以上分析，本发明将利用我国的新一代北斗三号卫星上配备的星间链路信号，结合地面的中短基线干涉测量(cei)设备，实现对于地月空间非合作航天器的有效、可靠的跟踪测量，为未来日益严峻的地月空间态势感知等重大任务提供有力支撑。

　　6、地面的中短基线、相位干涉测量技术是一种基于飞行器下行信号的被动测角跟踪方法,目前主要有“甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,vlbi)”和“连线干涉测量(connected element interferometry,cei)”这两类技术。与vlbi相比，cei的主要优点是：相位延迟测量比较简单，可实现对相位差的快速定轨，几乎可以做到实时测角，设备简单、费用低、维护和管理方便。

　　8、图2(a)所示为cei基本原理图，cei测量相关器处理的地月空间航天器信号来自几何上分离的两个地面测站。因此，若要获得高精度角度测量，可以通过提高干涉测量时延的测量精度，这也就是cei高精度测量技术的基本原理。

　　9、如图2(b)所示，由于地月空间航天器的轨道误差绝大部分体现在它在有效基线方向上的投影,因此两条cei正交基线便可以决定地月空间航天器的二维角坐标及其变化信息。

　　11、随着gnss的广泛应用，用户对系统精度、完好性、可靠性等性能指标有着更高的需求，星间链路技术被认为是提升导航系统性能的重要途径之一。利用星间链路进行卫星之间测量和通信，可以缩短导航电文的更新周期，提高广播星历精度；可以提供一种独立的校验卫星星历和钟差参数的手段，提升系统的完好性；可以弥补监测站区域布设的缺陷，改善导航卫星定轨精度；可以减少地面监测站和注入站的数量，降低系统的运行维护成本；可以实现导航星座在一段时间内的自主运行，增强系统的抗干扰、抗摧毁能力。

　　12、我国北斗导航卫星系统已在新一代北斗三号卫星导航系统上成功实现了星间链路(isl)相互伪距测量，北斗三号卫星均具有ka波段星间双向测距技术，采用ka相控阵天线，其通过控制每个天线单元的相位关系来实现大空间范围的波束扫描，可在较短的时间内快速切换天线波束指向，完成单颗卫星对多条链路的观测任务，从而形成动态星间链路网络，具有较强的捷变指向能力和高精度测距性能。bds-3星间测距采用时分多址体制，按照预定路由规划表，每颗卫星轮循与其他可见卫星或地面锚固站构建链路。每次建链，每对卫星在一个较短的时间内(3s)完成双向测距。利用历元归算后的双向观测值，可解耦得到无钟差观测量和无几何观测量，分别用于卫星轨道和钟差确定。

　　13、北斗星间链路系统的空分时分接入体制和ka相控阵波束可捷变能力具备很强的扩展应用能力。充分利用卫星导航系统作为时间、空间基准这一得天独厚的特点和全球覆盖性优势，在北斗星间链路系统规划完全可配置、快速可配置的条件下，将用户航天器视为北斗星间链路系统的拓展节点接入北斗星间链路系统，并利用星载处理器处理星间测量数据得到自身轨道，理论上能满足航天器实时定轨需求。

　　17、北斗三号采用时空分多址体制，实现了卫星之间的点对点建链。星间建链的每个时隙长度为3秒，前1.5秒为卫星a发、卫星b收的正向测量与通信，后1.5秒为b发a收的反向测量与通信。

　　19、北斗三号星座由3颗geo卫星、3颗igso卫星以及24颗meo卫星组成，每颗卫星上都搭载有星间链路载荷，实现了高-中轨卫星、中-中轨卫星之间的建链，同时地面上配备有锚固站设备，可与空间星座实现星-地建链。

　　20、针对未来空间运用中对于地月空间态势感知、地月空间重要资产的健康状况监测和地月空间重要非合作目标的编目和监视等突出问题，传统的监视和观测主要针对的均为地月空间合作目标，针对地月空间非合作目标的测量手段和观测方法的研究目前还较为欠缺。

　　1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于北斗和cei的地月航天器测量及载噪比分析方法，有效的实现了对于高价值的地月空间非合作航天器的长期有效监视和观测。

　　5、(1)建立位于不同轨道的北斗三号卫星的星间链路信号在地月空间的传输方程：

　　6、基于北斗三号卫星的星间链路信号，位于不同轨道的北斗三号卫星与地月空间非合作航天器间的伪码测距方程如下所示:

　　8、其中，i＝1代表meo轨道，i＝2代表geo轨道，i＝3代表igso轨道；ti1为不同轨道的北斗三号卫星发射星间链路的时刻，ti2为不同轨道的星间链路到达地月空间非合作航天器的时刻；ribd(ti1)为时刻ti1位于不同轨道的北斗三号卫星在地心惯性坐标系下的位置矢量，rspace(ti2)表示时刻ti2不同轨道的地月空间非合作航天器在地心惯性坐标系下的位置矢量；δtspace(ti2)表示时刻ti2不同轨道的地月空间非合作航天器相对于北斗系统时间时的钟差；δtibd(ti1)表示时刻ti1不同轨道的北斗三号卫星相对于北斗系统时间时的钟差；τibd为不同轨道的发射星间链路时北斗三号卫星的硬件延迟；ei(bd→space)和ni(bd→space)分别为北斗三号卫星的星间链路信号在地月空间传输过程中的需要校正的误差和观测噪声；

　　9、(2)建立经非合作航天器反射的星间链路信号在地月空间的传输及最终在cei观测阵列的接收方程：

　　10、照射到地月空间非合作航天器上的北斗三号卫星的星间链路信号，经非合作航天器反射后与地面的cei观测阵列间的伪码测距方程如下:

　　12、其中，ti3为经非合作航天器反射的星间链路到达地面的cei观测阵列的时刻；rcei(ti3)表示时刻ti3不同轨道的地面的cei观测阵列在地心惯性坐标系下的位置矢量；rspace(ti2)表示时刻ti2不同轨道的地月空间非合作航天器在地心惯性坐标系下的位置矢量；δtcei(ti3)为时刻ti3不同轨道的地面的cei观测阵列相对于北斗系统时间时的钟差；τicei表示cei观测阵列的硬件延迟；ei(space→cei)和ni(space→cei)分别为：经非合作航天器反射的星间链路信号在地月空间的传输及最终在cei观测阵列接收过程中需要校正的误差以及观测噪声；

　　14、基于建立的基于北斗三号卫星的星间链路信号，位于不同轨道的北斗三号卫星与地月空间非合作航天器间的伪码测距方程，以及照射到地月空间非合作航天器上的北斗三号卫星的星间链路信号，经非合作航天器反射后与地面cei观测阵列间的伪码测距方程的基础上，得到基于cei观测阵列的地月空间非合作航天器的定轨方程：

　　17、步骤4、基于cei观测阵列和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量全过程的观测误差修正：

　　18、(1)建立位于不同轨道的北斗三号卫星的星间链路信号在地月空间的传输过程中的观测误差修正方程：

　　19、a)发射星间链路的北斗三号卫星的天线相位中心偏移在地心惯性坐标系中表示为：

　　21、其中，为星固坐标系下的不同轨道的北斗三号卫星的天线相位中心偏移，(px,py,pz)为星固坐标系下的三个坐标轴在地心惯性坐标系下的投影；；

　　24、其中，ribd和rspace分别为位于不同轨道的北斗三号卫星和地月空间非合作航天器在地心惯性坐标系下的位置矢量；

　　25、综合公式(17)和(18)得北斗三号卫星的天线相位中心偏移修正方程：

　　27、b)由相对论效应而导致的北斗三号卫星钟时间偏差对伪码测距值的影响表示为：

　　29、其中，和分别为北斗三号卫星和地月空间非合作航天器在地心惯性坐标系下的速度；

　　32、其中，γ为后牛顿效应参数，gm为地球引力常数，ribd和rspace分别为不同轨道的北斗三号卫星和地月空间非合作航天器至地心的距离；ρi(bd→space)为不同轨道的北斗三号卫星和地月空间非合作航天器之间的距离；

　　35、得到位于不同轨道的北斗三号卫星的星间链路信号在地月空间的传输过程中的观测误差修正总方程为：

　　37、(2)建立经非合作航天器反射的星间链路信号的cei观测过程中的观测误差修正方程：

　　41、其中，cdry和cwet分别为干延迟分量和湿延迟分量的天顶延迟修正模型，和分别为干延迟分量和湿延迟分量的映射函数，为cei观测阵列对非合作航天器的观测仰角；

　　44、其中，fibd为北斗三号卫星星间链路的载波频率，ntotal为天顶方向总电子量，re为地球半径，h为电离层薄层高度；

　　48、其中，为星固坐标系下的测站天线相位中心偏移，(px,py,星空综合pz)为星固坐标系下的三个坐标轴在地心惯性坐标系下的投影，rcei和rspace分别为cei观测阵列和地月空间非合作航天器在地心惯性坐标系下的位置矢量；

　　50、地月空间非合作航天器与cei观测阵列间的相对论效应的误差修正方程如下所示：

　　52、其中，和分别为cei观测阵列和地月空间非合作航天器在地心惯性坐标系下的速度，γ为后牛顿效应参数，gm为地球引力常数，rcei和rspace分别为cei观测阵列和地月空间非合作航天器至地心的距离；ρi(space→cei)为cei观测阵列和地月空间非合作航天器之间的距离；

　　56、其中，gmj为引潮天体引力常数，r和rj分别为cei观测阵列和引潮天体的地心位置，当j＝1时引潮天体为月球，j＝2时引潮天体为太阳；和分别为r和ri所对应的单位矢量，h2为love数，l2为shida数；

　　57、得到经非合作航天器反射的星间链路信号的cei观测过程中的观测误差修正总方程为：

　　60、将地球、月球、地月空间非合作航天器均视为质点，其中，以地球和月球连线作为x轴，坐标原点为两者的重心；

　　64、其中，mearth和mmoon分别为地球和月球的质量；地球和月球与第l个地月空间非合作航天器之间的距离满足：

　　67、其中，xl,yl,zl分别为第l个地月空间非合作航天器的x,y,z轴位置坐标；

　　68、对于地月空间的k个非合作航天器，包含速度和位置信息的状态矢量表示如下：

　　70、其中，xl,yl,zl分别为第l个地月空间非合作航天器的x,y,z轴位置坐标，分别为第l个地月空间非合作航天器的x,y,,z轴速度分量，分别为第l个地月空间非合作航天器的x,y,z轴加速度分量；满足如下的关系：

　　74、由式(1)到式(7)得，地月空间非合作航天器的动力学约束方程最终表示为：

　　77、基于cei观测阵列和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量链路的载噪比表示如下：

　　79、其中，c为cei观测阵列的接收信号功率；n0为热噪声功率；接收信号功率c和热噪声功率n0分别满足如下关系：

　　81、其中，ttransmit为北斗星间链路信号发射功率；gtransmit(bd→space)为朝向地月空间非合作航天器的北斗三号星间链路发射天线增益；greceive(space→cei)为朝向地月空间非合作航天器的cei观测阵列接收天线增益；lreflect为北斗星间链路信号经非合作航天器的反射损耗；lbd→cei为基于cei观测阵列和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量全过程的北斗星间链路信号传输损耗；lreceive为cei观测阵列的接收损耗；

　　84、(31)中的地月空间非合作航天器跟踪测量全过程的北斗星间链路信号传输损耗lbd→cei满足：

　　86、其中，fibd为北斗星间链路信号功率，di(bd→space)为发射北斗星间链路信号的北斗三号卫星与非合作航天器间的距离，di(space→cei)为非合作航天器与地面cei观测阵列间的距离；

　　87、(32)中的天线噪声温度tantenna和放大器噪声温度tamplifier分别满足如下关系：

　　92、综合(30)到(35)得，基于cei观测阵列和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量链路的载噪比方程最终表示如下：

　　95、1、本发明提供了一种地月空间非合作航天器跟踪测量方法，联合运用中短基线干涉测量(cei)和北斗三号卫星系统上配备的星间链路信号这一方法，利用北斗三号卫星的星间链路信号对地月空间非合作航天器进行照射，之后运用cei系统被动式接收地月空间非合作航天器反射的星间链路信号这一方法，设计了一整套基于cei和北斗三号卫星星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量流程，较为有效的实现了对于高价值的地月空间非合作航天器的长期有效监视和观测。

　　96、2、构建了基于cei和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量模型，重点分析了本发明的全过程和关键节点，主要包括位于heo、geo和igso三个轨道的北斗三号卫星基于星间链路实现对地月空间非合作航天器进行照射、经非合作航天器反射的信号在地月空间传输并最终被地面cei阵列进行接收。

　　97、3、构建了基于cei和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量的动力学约束方程，基于“三体”问题场景，即地球、月球、地月空间非合作航天器，重点建立了包含位置、速度、加速度等信息的地月空间非合作航天器状态矢量方程。

　　98、4、基于北斗星间链路的地月空间非合作航天器照射，重点建立了位于不同轨道的北斗三号卫星的星间链路信号在地月空间的传输方程、经非合作航天器反射的星间链路信号在地月空间的传输方程、经非合作航天器反射的星间链路信号在cei阵列接收端的接收方程。

　　99、5、基于cei的地月空间非合作航天器精确测量，在第三步中建立的基于北斗三号卫星的星间链路信号的伪码测距方程的基础上，重点建立了基于cei观测的地月空间非合作航天器的定轨方程。

　　100、6、在此基础上，重点分析位于不同轨道的北斗三号卫星的星间链路信号在地月空间的传输过程和经非合作航天器反射的星间链路信号的cei观测过程中的测量误差，引入误差修正方程，进一步修正地月空间非合作航天器的cei观测方程。

　　101、7、基于cei和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量全过程链路预算，重点分析了位于heo、geo和igso三个轨道的北斗三号卫星的星间链路发射功率、经非合作航天器反射的信号在地月空间传输功率以及最终被地面cei阵列接收的信号功率，建立了基于cei和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量链路的载噪比分析方程。

　　102、8、在以上各步的基础上，开展了基于cei和北斗星间链路的地月空间非合作航天器跟踪测量的性能评估，主要包括：cei接收阵列的接收性能评估、基于cei和北斗星间链路的地月空间非合作航天器定轨几何精度评估和基于cei和北斗星间链路的地月空间非合作航天器测距精度评估，由此实现了地月空间高价值非合作航天器的编目、长期有效跟踪、高可靠在轨监测、异常行为(如变轨、解体等)的高精度观测。

　　技术研发人员：高泽夫 焦义文 杨文革 马宏 吴涛 马宏斌 王育欣 李雪健 冯浩 宋雨柯 滕飞 李超 陈雨迪 卢志伟 杨卓 章恩韬 刘瑞怡 冯凯 谭克松 闵国航

　　1.数字信号处理 2.传感器技术及应用 3.机电一体化产品开发 4.机械工程测试技术 5.逆向工程技术研究