黎峰一 劉寧波 趙文亮 劉憲陽(yáng)（航天恒星科技有限公司）

2021年6月17日09

22，搭載神舟十二號(hào)載人飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F遙十二運(yùn)載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火發(fā)射。隨后，神舟十二號(hào)載人飛船與火箭成功分離，進(jìn)入預(yù)定軌道，順利將聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員送入太空，飛行乘組狀態(tài)良好，發(fā)射取得圓滿成功。17日15

54，神舟十二號(hào)載人飛船采用自主快速交會(huì)對(duì)接模式，成功對(duì)接“天和”核心艙前向端口，與此前已對(duì)接的天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船，一起構(gòu)成三艙組合體，整個(gè)交會(huì)對(duì)接過(guò)程歷時(shí)約6.5小時(shí)。

神舟十二號(hào)載人飛船配備的星載全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收機(jī)全程利用北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成絕對(duì)定位解算，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)米級(jí)高精度定位，保障了飛行器單獨(dú)飛行任務(wù)；在交會(huì)對(duì)接段，星載GNSS接收機(jī)全程利用北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行載波相位差分解算，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度的相對(duì)測(cè)量，有效保障了交會(huì)對(duì)接任務(wù)的順利完成。這是繼天舟二號(hào)任務(wù)之后，我國(guó)利用“北斗”載波相位差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)全自主快速交會(huì)對(duì)接的第二次在軌實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。

1 GNSS測(cè)量在空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)中的應(yīng)用

載人航天工程空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，我國(guó)采用GNSS相對(duì)測(cè)量，以及雷達(dá)、光學(xué)等綜合測(cè)量方式，通過(guò)測(cè)量精度階梯化、作用距離接力式來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)測(cè)量。GNSS相對(duì)測(cè)量由星載GNSS接收機(jī)構(gòu)成的相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。中國(guó)空間站建造任務(wù)中，空間站核心艙、載人飛船、貨運(yùn)飛船，以及未來(lái)即將建設(shè)的實(shí)驗(yàn)艙均配備了星載GNSS接收機(jī)，完成導(dǎo)航信號(hào)捕獲、跟蹤、定位測(cè)速解算等，為船、站提供絕對(duì)定位和高精度相對(duì)定位信息。

GNSS相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)在空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，提供遠(yuǎn)距離引導(dǎo)和近距離高精度測(cè)量服務(wù)，要求具備以下特點(diǎn)：

1）全球覆蓋連續(xù)服務(wù)；

2）遠(yuǎn)距離米級(jí)相對(duì)測(cè)量；

3）近距離厘米級(jí)高精度穩(wěn)定測(cè)量；

4）適應(yīng)空間高動(dòng)態(tài)環(huán)境；

5）適應(yīng)空間單粒子、電離層特殊環(huán)境。

中國(guó)空間站示意

2 “北斗”相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)的技術(shù)路線

2020年7月，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通。2021年5月30日05 : 01，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船精準(zhǔn)對(duì)接于“天和”核心艙后向端口，我國(guó)首次利用“北斗”載波相位差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)全自主快速交會(huì)對(duì)接。2021年6月17日15 : 54，神舟十二號(hào)載人飛船成功對(duì)接于“天和”核心艙前向端口。兩次交會(huì)對(duì)接任務(wù)的順利完成，是GNSS相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)利用全面建成的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間高精度導(dǎo)航應(yīng)用的典型代表。

“北斗”相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)由空間站配備的星載GNSS接收機(jī)（目標(biāo)端）和飛船配備的星載GNSS接收機(jī)（追蹤端）共同組成。追蹤端和目標(biāo)端GNSS接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，提取觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行絕對(duì)定位解算；目標(biāo)端接收機(jī)輸出的空空通信數(shù)據(jù)，由空空通信機(jī)傳送至追蹤端接收機(jī)，追蹤端結(jié)合本地原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，獲得追蹤端飛行器與目標(biāo)端飛行器間的相對(duì)位置和速度信息。

“北斗”相對(duì)定位差分技術(shù)的工作原理是利用衛(wèi)星時(shí)鐘、衛(wèi)星星歷、電離層延遲等誤差所具有的時(shí)空相關(guān)性這一客觀事實(shí)，通過(guò)差分的方法消除或削弱絕大部分誤差，使兩飛行器相對(duì)測(cè)量精度達(dá)到實(shí)時(shí)厘米級(jí)，之后處理為毫米級(jí)。

基于“北斗”的高精度相對(duì)定位差分技術(shù)主要有偽距差分、載波相位差分兩種，分別以偽距和載波為基本觀測(cè)量，通過(guò)雙差模式消除或削弱大部分誤差。交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，兩飛行器上星載GNSS接收機(jī)構(gòu)成的“北斗”相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)，根據(jù)基線距離提供不同精度的相對(duì)測(cè)量服務(wù)。在準(zhǔn)備段100～1000km范圍內(nèi)，提供基本導(dǎo)航服務(wù)，解算精度為米級(jí)；在對(duì)接段10～100km范圍內(nèi)，提供遠(yuǎn)距離引導(dǎo)的偽距差分服務(wù)，解算精度達(dá)到亞米級(jí)；在100m～10km范圍內(nèi)，提供近距離高精度載波相位差分服務(wù)，解算精度達(dá)到厘米級(jí)。交會(huì)對(duì)接完成后，在組合體運(yùn)行階段，GNSS接收機(jī)仍能繼續(xù)提供米級(jí)精度的基本導(dǎo)航服務(wù)。

“北斗”相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)在空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)中的服務(wù)過(guò)程

3 “北斗”相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與面臨的挑戰(zhàn)

載波相位差分技術(shù)

星載GNSS接收機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行信號(hào)接收，歷元間極易發(fā)生衛(wèi)星跟蹤中斷，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)遞歸處理。同時(shí)，歷元間電離層等影響變化大，增加周跳次數(shù)和模糊度參數(shù)增減的難度，考驗(yàn)?zāi)：缺O(jiān)測(cè)能力。針對(duì)以上挑戰(zhàn)，需實(shí)施針對(duì)性的高精度載波相位差分技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)如下：

1）基于通道環(huán)路參數(shù)的周跳檢測(cè)技術(shù)?；阪i相環(huán)、鎖頻環(huán)及IQ支路信號(hào)功率特性等通道環(huán)路參數(shù)檢測(cè)載波周跳，確保序貫處理的有效遞推。

2）相對(duì)測(cè)量?jī)?yōu)化選星技術(shù)。利用組合遍歷法對(duì)相對(duì)精度因子(RDOP)數(shù)值進(jìn)行遞推計(jì)算，基于RDOP最小原則進(jìn)行共視星優(yōu)選。

3）偽距載波聯(lián)合解算和序貫最小二乘解算。利用偽距引導(dǎo)載波相位求解，解決載波方程秩虧問(wèn)題；利用前一歷元和當(dāng)前模糊度及權(quán)值矩陣、系數(shù)矩陣、序貫求解模糊度浮點(diǎn)解，加快模糊度收斂速度。

4）最小二乘模糊去耦調(diào)節(jié)法 (LAMBDA方法) 整周模糊度搜索。利用LAMBDA方法搜索模糊度，確保模糊度搜索效率和有效性。

測(cè)量與定位域數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)

空間站軌道高度通常在400km左右，飛行器運(yùn)動(dòng)速度快，致使接收到的衛(wèi)星信號(hào)變換頻繁；受電離層影響，載波周跳頻繁，飛行器難以獲取高動(dòng)態(tài)連續(xù)且高可靠的數(shù)據(jù)。針對(duì)以上挑戰(zhàn)，提出測(cè)量與定位域數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)自主完好性監(jiān)測(cè)（RAIM）方法在單顆衛(wèi)星故障情況下的瓶頸。同時(shí)，對(duì)高精度差分的測(cè)量數(shù)據(jù)優(yōu)選提供了精準(zhǔn)的決策機(jī)制，大幅提高了高動(dòng)態(tài)環(huán)境下定位結(jié)果的可靠性，其關(guān)鍵技術(shù)包括：

1）測(cè)量域偽距監(jiān)測(cè)。利用基于軌道預(yù)測(cè)的測(cè)量前置監(jiān)測(cè)，以及基于最小二乘殘差法進(jìn)行偽距異常等故障檢測(cè)和識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障星的有效屏蔽。

2）定位域模糊度監(jiān)測(cè)和殘差監(jiān)測(cè)。模糊度監(jiān)測(cè)是對(duì)整數(shù)解與初始解(浮點(diǎn)解)基線向量一致性檢驗(yàn)，對(duì)整數(shù)解與初始解單位權(quán)中誤差一致性檢驗(yàn)；殘差監(jiān)測(cè)指利用周跳探測(cè)技術(shù)進(jìn)行可用性評(píng)估。

空間環(huán)境干擾抑制技術(shù)

空間復(fù)雜環(huán)境對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的影響主要表現(xiàn)為電離層及多徑的影響?？臻g站軌道高度處于電離層F2區(qū)域中電子密度最大的區(qū)域，信號(hào)穿過(guò)不均勻體的變化更為劇烈，對(duì)星載GNSS接收機(jī)的影響也更為嚴(yán)重。針對(duì)以上挑戰(zhàn)，提出空間環(huán)境干擾抑制技術(shù)，通過(guò)對(duì)在軌數(shù)據(jù)的分析，從接收機(jī)信號(hào)處理、定位解算監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)與規(guī)避等多個(gè)層面開(kāi)展針對(duì)性抑制和規(guī)避措施設(shè)計(jì)，包括：

1）利用自適應(yīng)感知環(huán)境的抗閃爍環(huán)路技術(shù)、多系統(tǒng)兼容接收與故障自主監(jiān)測(cè)技術(shù)、高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的快速恢復(fù)技術(shù)、抗多徑天線技術(shù)，提高信號(hào)接收處理能力。

2）利用基于軌道預(yù)報(bào)信息的定軌技術(shù)，多傳感器的融合定位與故障規(guī)避技術(shù)。

3）開(kāi)展電離層閃爍的預(yù)報(bào)與任務(wù)規(guī)劃。

4 結(jié)語(yǔ)

空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)是航天工程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是空間站建設(shè)、載人登月、空間在軌服務(wù)以及星際航行的基礎(chǔ)和保障。相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)的關(guān)鍵組成部分。利用“北斗”載波相位差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩飛行器交會(huì)對(duì)接，將是未來(lái)空間交會(huì)對(duì)接領(lǐng)域發(fā)展的重要方向，為后續(xù)空間站與貨運(yùn)飛船、載人飛船頻繁交會(huì)對(duì)接的需求提供有效技術(shù)保障，為基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度測(cè)量在空間導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。