针对高轨“全球卫星导航系统”(GNSS)接收机远距离接收地球对面漏导航信号，信号功率衰减严重，旁瓣信号难以接收技术难题，突破了高灵敏度接收技术、GNSS自主定轨等多项关键技术，在月地转移轨道上成功实现了远距离漏导航卫星接收机，为地面测定轨提供一种自主的、实时的、有效的技术手段。卫星导航技术在探月返回任务中的应用，探索了卫星导航应用新领域，具有重大工程意义和应用前景。
一、 前言
2014年10月24日，探月三期再入返回飞行试验器成功进入轨道。11月1日，飞行试验器中返回器与服务舱分离后，采用半弹道跳跃式飞行方式，经过两次再入大气层后，成功着陆于内蒙古四子王旗并安全回收，开伞精度509m，落点精度2.92km，飞行试验取得圆满成功，成为我国首次地外航天器跳跃半弹道再入式返回，为2017年我国探月工程三期嫦娥-5探测器月壤采样返回奠定了坚实的基础。
本次探月飞行试验器主要由服务舱和返回器两部分组成，服务舱作为服务平台携带返回器采用绕月自由返回轨道飞行。期间为返回器提供结构支撑、电源供给、测控通信、姿态与轨道控制等服务功能，为与服务舱分离后的返回器提供高精度再入轨道和姿态参数。当前服务舱测定轨手段依赖地面测控系统和甚长基线干涉测量(VLBI)，此两种手段需要使用境外测控站以及国际站间实时数据传输，且返回轨道调整机动对测定轨影响较大。因此，在月地转移轨道上使用卫星导航技术，服务舱中搭载GNSS导航接收机，国际上首次实现了月地转移轨道的漏导航卫星信号远距离接收与处理，在深空返回轨道成功自主导航定位，位置精度优于100m。速度精度优于0.05m/s，为飞行器提供准确的轨道信息参考。
图1 探月三期飞行试验器飞行轨道
二、高轨自主导航中的卫星导航技术及应用特点
1.漏导航卫星信号接收技术
在普遍的地面用户或低地球轨道(LEO)中，卫星导航接收机可见的导航卫星数目较多，信号观测条件好，导航定位精度高。在本次探月飞行试验任务中，服务舱使用的GNSS导航接收机所处轨道大部分时间高于导航卫星轨道，此时接收机无法接收端顶对天面导航信号，只能收到地球方向的导航信号。由于导航卫星发射天线指向地心，主瓣信号大部分被地球遮挡，服务舱中GNSS接收机若仅仅接收机主瓣信号，导航星数无法满足导航定位星需求。因此，本次探月任务中GNSS接收机首次采用了远距离漏导航卫星信号接收技术，具备导航卫星旁瓣信号接收能力，大大提高能够接收导航星数，改善几何分布。
图2 漏导航卫星信号接收几何关系图
目前，“全球定位系统”(GPS)和“全球导航卫星系统”(GLONASS)为可实现全球导航覆盖的两大卫星导航系统，为增加可用导航星数量，服务舱导航接收机采用GPS和GLONASS兼容方式，同时接收GPS和GLONASS导航系统的漏导航卫星信号，增加总的导航可用星数，显著提高定位精度和连续性。
2.高轨道卫星高灵敏度接收技术
探月服务舱GNSS接收机运行高度远高于导航卫星轨道高度，这使得GNSS应用场景与传统低轨和地面应用场景大大不同，远距离导航信号接收导致信号功率衰减严重。本次任务导航接收机工作在几万千米的转移轨道上，以40000km轨道为例，路径衰减引起的接收信号功率与地面相比低10dB左右。由GPS导航发射天线增益方向图可知，旁瓣信号比主瓣信号增益低10dB以上。
综合上述影响因素，服务舱GNSS接收处理信号功率比地面场景低近20dB，且信号功率范围大，强弱信号“互相关”效应明显。同时，探月飞行器此阶段运行速度快，GNSS接收机设计上还面临着大多普勒搜索范围及导航星换星频繁问题，动态性较高易造成跟踪失锁问题。
目前，高灵敏度接收技术已完成技术攻关和在轨飞行验证，服务舱GNSS接收机成功解决了大多普勒搜索下范围微弱导航信号快速接收机处理难题，突破了高灵敏度接收技术、微弱导航信号快速捕获跟踪技术、强弱信号互相关抑制技术，在几何可观性差、运行轨道动态性高等不利条件下实现高精度、自主的、连续的GNSS导航定位。
3.GNSS自主定轨技术
由于导航信号微弱导致观测数据测量误差大，导航星几何分布不好，影响了导航定位精度。针对高精度测定轨需求，服务舱GNSS接收机采用了一种基于动力学模型补偿的卡尔曼滤波自主定轨算法，利用GPS、GLONASS双模导航系统的组合观测信息进行实时轨道确定，以提高自主定轨精度。在本次任务具体实施过程中，针对自主定轨算法实现过程存在的问题，提出了一系列设计方法，具体内容如下。
(1)双天线相位中心联合定轨技术
针对服务舱飞行轨道环境、姿态机动特点及导航信号接收特性，在服务舱±Z轴各安装了一个接收机天线，将两个天线接收的导航信号进行联合解算，提高导航信号可观度。双天线观测数据相位中心不一致，带来了导航定轨解算观测数据融合使用难题。
因此，GNSS自主定轨算法在利用伪距测量进行滤波测量更新过程中，将飞行器质心下定轨滤波状态量转换到各观测量对应天线相位中心处。待状态量更新完成后，再将各天线相位中心下表示的状态量转换到卫星质心。通过对不同相位中心的伪距折算，实现双天线模式下的定轨滤波测量更新。
(2)定轨算法分时处理技术
GNSS实时自主定轨算法复杂、计算量大，星上处理器计算资源紧张。为了在有限计算资源的条件下实现高精度实时定轨，在实施过程中使用分时处理的技术。分时处理技术基于以空间换时间的策略，系统需实时存储上一时刻的分时计算结果，然后利用上一时刻的分时计算数据计算当前时刻的分时计算结果，通过进行多步的分时计算，完成整个定轨滤波解算过程。
(3)高可靠的质量控制技术
高轨道航天器接收信号微弱，导致观测数据测量误差大。存在粗差的观测数据在参与定轨解算后，既影响几何学实时计算，又影响定轨滤波的精度和滤波稳定性。因此，在实时自主定轨过程中，提出了高可靠的观测数据质量控制技术，具体实现方法如下：
1)采用基于同一历元观测数据钟差一致性原理的预处理方法，通过识别并剔除粗差数据，提高自主定轨滤波算法的稳定性。
2)采用滤波状态备份恢复技术，在定轨滤波测量更新完成之后，通过检测定轨滤波粗差，来决定是否更新当前的滤波状态，或直接将备份的上一滤波周期的滤波器状态赋予当前滤波器状态。
三、导航接收机设计
针对探月三期飞行试验器轨道特点以及导航信号接收特性，服务舱导航接收机使用双天线接收模式，在服务舱±Z轴各安装了一个接收机天线，保证导航信号全向接收，增大导航星可观度。本次任务中GNSS漏导航信号接收系统由导航接收天线、前置放大器、导航接收机组成。
图3 漏导航卫星信号接收系统框图
GNSS接收天线接收导航信号，通过前置放大器进行滤波和放大处理后送入导航接收机，把收到的模拟导航信号由L频段变换到较低的中频频段上，进行模数转换，在数字域内完成导航信号的捕获、跟踪和测量，得到原始伪距观测量。在观测量满足定位的条件下完成定位解算，获得定轨初值信息，然后启动定轨滤波解算，得到最终的导航结果。
其中，GNSS接收机硬件包括多块板卡组成，采用模块化设计，内部设计有内部连接线，各个功能模块通过内部总线相连。采用此种板卡拼接式设计，可以方便实现系统扩展。
图4 导航接收机结构内部装配图
GNSS接收天线a安装在服务舱下舱+Z+Y板的外表面(+Z面)，与服务舱+Z轴指向一致，与+Z舱板上的其他天线轴心距离均大于850mm。GNSS接收天线b安装在下舱-Z-Y板的外表面(-Z面)，垂直于结构板安装，与服务舱-Z轴指向一致，与-Z舱板上的其他天线轴心距离均大于850mm。
图5 GNSS接收天线安装示意图
(左图为天线b，右图为天线a)
四、在轨数据分析
1.导航信号接收特性分析
国际标准时间(UTC)2014年10月31日17：01：57，服务舱GNSS接收机在67372km轨道高度开机，3min35s后收到了第一颗GLONASS卫星，并获得导航星电文信息。在轨道高度66944km处，接收机完成时间系统初始化。在轨道高度66765km处，成功收到第一颗GPS导航卫星。轨道高度61808 km处，第一次完成导航解算，并对外输出导航位置速度结果。在北京时间11月1日18：09：04至10月31日21：56：31，接收机以1Hz数据更新速率连续输出导航定位结果。本次在轨飞行试验，成功实现了利用漏导航卫星信号高轨道航天器自主测定轨。
探月三期飞行试验器按照计划将进行6次轨道修正，由于在轨工作状态正常，取消了第6次轨道修正，自第5次中途修正至10月31日21：48之前没有轨道机动和调姿操作，该阶段的飞行轨道非常稳定。根据USB和VLBI测量数据，地面定轨系统通过多站联合精度评估，测定轨精度优于100m。将GNSS接收机在轨实时自主定轨数据，与第三方多站联合测定轨数据进行比对，两组轨道之间的位置差异优于100m，速度差异优于0.01m/s。
本次任务中GNSS接收机下传伪距、载波相位等原始观测信息至地面，可用于事后地面高精度轨道计算。武汉大学卫星导航定位中心采用轨道拟合的方法对伪距定位离散轨道进行动力学平滑，得到连续平滑的高精度的动力学轨道。通过导航接收机实时自主定轨结果与轨道动力学拟合后轨道符合性分析结果，可以看出收敛后二者位置差异在30m内，速度在5cm/s内。
五、 小结
本次探月三期飞行试验任务中，首次实现了高轨航天器高灵敏度接收处理关键技术，在无任何辅助数据情况下，成功利用高轨GNSS(GPS/GLONASS)漏导航卫星信号，实现了探月转移轨道全自主导航定位，位置精度优于100m，速度精度优于0.01m/s。验证了航天器运行轨道高于导航星座情况下，漏导航卫星信号接收特性，突破了高轨GNSS信号功率衰减严重、易受障碍物遮挡、可观性差以及动态性较高等影响接收机信号处理的瓶颈问题。为我国高轨及深空返回提供一种有效的自主测定轨手段，开拓了GNSS应用新领域，具有重大的社会、经济、军事效益和广泛的应用前景。(文|王盾、王猛 来源|卫星应用)
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