[发明专利]地空天一体化自主导航系统设计方法

说明书

技术领域：

本发明属于航天器自主导航技术领域，具体指一种地空天一体化自主导航系统设计方法，它利用伪卫星、脉冲星和导航卫星(如GPS或北斗)构建自主导航集成系统来对飞行器进行高精度自主轨道确定、时间同步、姿态控制和导航定位，该系统适用于地面、临近空间、近地轨道和深空等飞行器完成探索任务游历的一切空间部分。

背景技术：

随着空间信息技术的发展，尤其是深空探测的推进，飞行器由地面发射到空间再到深空环境下，对自主导航的需求和新模式新方法的探索，人类始终没有停止过。

目前，已有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中欧的GALILEO和中国的北斗二代等卫星导航定位系统，均处以完善性地建设中。这些均是无线电导航定位系统，通过实时捕获跟踪卫星信号来为地面用户或近空间的机载用户提供全天候全天时高精度的位置、速度和时间等导航信息。

但在接收不到例如GPS卫星信号的室内或被遮蔽的区域，卫星导航系统就无法发挥其导航能力。伪卫星(pseudolite)技术正是弥补这一的缺点的主要方法之一，而且伪卫星可以用于独立定位、增强定位等多种应用系统中。

地磁场是地球系统的基本物理场，直接影响着该系统中一切运动的带电物体或带磁物体的运动学特性。地磁场是地球的固有资源，为航空、航天、航海提供了天然的坐标系，可应用于航天器或舰船的定位定向及姿态控制。利用地球磁场空间分布的磁导航技术简便高效、性能可靠、抗干扰，一直是世界发达国家不可缺少的基本导航定位手段，如自动化程度很高的波音飞机都装载有磁导航定位系统。而磁场导航定位设备在远离地面后，尤其是飞出大气层后，应用效果就会明显下降。

在深空探测活动中，如月球计划和火星计划，甚至更为遥远的太阳系探测活动，对于飞行器来说，导航定位的要求已不能依靠GPS之类的卫星导航了，必须在深空条件下寻找新的参考点。脉冲星是天文物理的范畴，属于基础性和前沿性研究，具有重要的学术研究价值和广阔的工程应用前景。脉冲星具有极其稳定的周期性，毫秒级脉冲星的自转周期变化率达到10^-19～20^-21。其导航的应用已得到了充分的认识，它能够为近地轨道、深空和星际空间飞行器提供位置、速度、时间和姿态等导航信息，实现航天器导航定位的工程应用。目前，国外研究尚处于起步阶段，国内有关脉冲星观测和理论研究已开展了十余年，但主要集中在天文学、天体物理学和时间计量方法等方面的研究。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种自主导航系统设计方法，解决深空飞行器自主导航的问题。

本发明的系统设计方法将伪卫星系统与卫星导航定位系统(GPS、中国北斗)联合，将脉冲星编号后再融入伪卫星/GPS/北斗的联合系统，实现应用覆盖地空天一体化自主导航的系统。它包括：伪卫星与导航卫星的联合，伪卫星与脉冲星的联合，地空天导航的一体化以及深空一体化的信息交互设计方法。其中：

(1)伪卫星与导航卫星的联合导航

如附图1所示，在飞行器102自地面飞向太空的过程中，飞行器102通过自带的信号接收机同时接收来自地面的伪卫星100信号和在轨运行的卫星导航定位系统104、105、106，实现高精度的导航定位。

(2)伪卫星与脉冲星的联合导航

将伪卫星103与脉冲星108、109、110一并进行编号，组成一个新的深空导航网。利用脉冲星具有稳定的已知空间位置、辐射出X射线、自转稳定度高等特点，和飞行器自带的收发一体伪卫星进行信号交互和实现自主导航。

(3)地空天导航的一体化

飞行器102在近空间时，采用地面伪卫星100与卫星导航定位系统104、105、106进行联合定位。若以GPS为例，GPS卫星离地面2万公里，而卫星发射信号是球状向四面发射。因此，飞行器102在飞出地面2万公里的空间后，将分两阶段实现自主导航，第一阶段是卫星导航定位系统104、105、106和脉冲星108、109、110联合导航，第二阶段是脉冲星108、109、110单独导航定位。在第一阶段时，飞行器102打开自带的伪卫星103进行工作。

(4)深空一体化的信息交互

由于飞行器102是自带收发一体伪卫星103而进行工作的，这样就能继续保持地空天信号的一体化交互和自主导航的连续性，也可以继续将飞行状况通过伪卫星103向地面或国际空间站进行交互。在深空探测中太阳位于飞行器和地球之间的位置或飞行方向的视线不佳时，都能继续实现高稳定高可靠的深空自主导航。

本发明的创新点在于：