高阳，王猛，刘蕾，车欢，张骞

北京卫星信息工程研究所，北京 100086



基于高轨航天器的GNSS接收机技术

高阳*，王猛，刘蕾，车欢，张骞

北京卫星信息工程研究所，北京 100086

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)应用于高轨航天器时，因轨道高于导航卫星，可见星数量急剧减少，空间信号功率微弱，信号的快速捕获和跟踪十分困难。文章对高轨地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)接收技术进行了研究。以中国实践十七号卫星为研究对象，采用官方正式发布的发射天线方向图对GEO下GNSS信号特征及可用性开展研究分析，并针对高轨道航天器GNSS信号微弱的特点，采用长时间积分处理的梳状滤波方法、差分相干累加比特同步算法和基于动力学模型补偿的扩展卡尔曼滤波自主定轨算法设计GNSS接收机，并在半物理仿真平台进行了测试验证。试验结果表明：GNSS接收机捕获灵敏度优于-173 dBW，跟踪灵敏度优于-175 dBW，定轨位置精度优于50 m，速度精度优于0.01 m/s。

全球导航卫星系统；地球同步轨道；高灵敏度；接收机

基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的航天器自主导航应用具有实时性高、自主性强、精度较高、成本较低的特点，是目前国际上航天器自主定轨工程应用的主要手段。过去十年间，GNSS接收机已成为低轨航天器的标准配置。在地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)高轨空间领域，GNSS接收天线需要指向地心，接收来自地球另一面的导航卫星信号，这会产生空间信号微弱和可见性差等问题。根据空间几何关系[1]，导航星主瓣波束角宽度为21.3°，其中13.9°被地球遮挡，GNSS接收机只能接收部分主瓣信号和旁瓣信号，旁瓣信号功率强度比主瓣信号弱10dB以上，考虑信号传播距离增大，空间链路衰减增加，信号功率十分微弱，此外，可见星几何构型差，精度因子(Dilution Of Precision，DOP)值较大。为此，GNSS接收机需要具备高灵敏度快速捕获、跟踪处理特性，在导航解算方面，采取扩展卡尔曼滤波动力学定轨方法进一步提高位置速度解算精度，取代了易受DOP影响的最小二乘几何单点定位算法。

对于高于导航卫星轨道航天器的GNSS应用，国内外也开展相关搭载试验。美国AO-40卫星[2]搭载全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收机在大椭圆轨道(Highly Elliptical Orbit，HEO)58 000 km高度成功接收GPS导航信号，但未能实现在轨实时定位。ESA的GIOVE-A卫星[3]搭载GPS接收机首次在高于GPS星座的轨道高度实现在轨定位，其轨道高度为23 300 km的中地球轨道(Medium Earth Orbit，MEO)。NASA戈达德太空飞行中心也研发了一款适用于高轨道的Navigator接收机[4]，该接收机在磁多层探测(Magnetospheric Multiscale，MMS)航天器中承担GPS导航定位任务，在76 000 km轨道高度成功实现在轨导航解算。在中国，嫦娥五号飞行试验器(Chang′E-5T)搭载GNSS接收机兼容处理GPS和格洛纳斯(GLONASS)信号，于2014年11月在地月转移轨道和月地转移轨道开展在轨飞行试验验证工作[5]。文献[6]在高轨卫星轨道积分滤波方面开展了研究，文献[7]在GNSS弱信号为适应高动态应用环境开展了GNSS捕获方法研究。

然而对于GEO轨道，尤其对于北斗导航卫星系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)，信号的应用情况还需要进行在轨验证。实践十七号卫星于2016年11月3日在海南文昌发射，卫星搭载GNSS接收机，兼容接收BDS/GPS/GLONASS系统主瓣和旁瓣导航信号，具有高灵敏度接收能力，用于开展GEO轨道GNSS在轨自主导航试验验证。

此外，多篇文章[8-9]已经开展过高轨GNSS可用性分析相关工作，其导航发射天线旁瓣信号均采用估计的旁瓣方向图，且天线方向图水平方向仅采取单个切面数据，无法充分反映天线增益凹凸变化带来的影响。GPS官方在2014年底发布GPS导航发射天线旁瓣信号的方向图，且GPS新发射的卫星为满足高轨空间应用均采取改进旁瓣方向图的新型天线，天线方向图均产生细微变化。

本文以实践十七号卫星为例，采用官方公布的导航天线方向图，建立天线水平方向全向360°的增益方向图数据源，进行可见性分析，并针对性设计GNSS接收机，对弱信号快速捕获和稳定跟踪算法进行研究，使用基于动力学模型的扩展卡尔曼滤波方法提高导航精度。文末通过半物理仿真试验测试了GNSS接收机的性能。

1 实践十七号卫星GNSS可用性 分析

为研究实践十七号卫星轨道下GNSS接收特性，采用卫星工具包(Satellite Tool Kit，STK)进行信号可用性分析。

1.1 场景设置

STK采取北美航空司令部(North American Aerospace Defense Command，NORAD)公布的2016年6月30日GPS、GLONASS和BDS的两行根数(Two-line Elements，TLE)文件，其中GPS星座正常运行31颗卫星，第27号卫星不可用；GLONASS星座正常运行24颗卫星。BDS星座采取北斗二代一期的导航星座，5颗GEO卫星，5颗倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)卫星，3颗MEO卫星。GPS导航信号发射功率为13dBW[10]，GPS导航星座发射天线采取Lockheed Martin公司公布的天线方向图[11]，BDS和GLONASS导航星座发射功率和天线方向图参照GPS制作，发射天线方向图采取GPS IIR第14号卫星方向图，见图1(a)。

实践十七号卫星采用高增益天线，GNSS天线实测最大增益9.424 dBic，±30°内增益优于7 dBic，天线方向图见图1(b)。卫星在轨运行时，GNSS接收天线指向地心。GNSS接收机接收功率门限设置为-173 dBW。实践十七号卫星瞬时根数见表1。

时间半长轴/km倾角/(°)升交点赤经/(°)偏心率平近点角/(°)近地点幅角/(°)2016-11-100:00:0044378.51814.705106.9160.003986119.313165.236

1.2 GNSS可用性结果

图2为GPS、GLONASS、BDS和GNSS可见星数统计，GNSS可见星数量最少7颗。GPS和GLONASS可见星情况十分相似，GPS平均可见星7.548 8颗，GLONASS平均可见星7.539 0颗，BDS由于未完成全球布局，可见星数量较少，在2020年BDS完成全球布局后，可见星数量与GPS、GLONASS类似。图3为每颗GNSS卫星持续时间分布情况，最短可见时间为65 s，最长为GPS 13号星可见时间26 637 s，平均持续可见时间为3 232 s。图4为GNSS可见星的DOP值分布，均值为10.16。

根据以上分析，GNSS天线±30°内增益7 dBic，GNSS接收机需要达到-173 dBW，实践十七号卫星整个轨道周期可以保证至少7颗可见星，满足全轨道周期自主定位要求；DOP值的均值为10.16，比低轨轨道场景高一个数量级，严重恶化几何定位精度；GNSS平均可见持续时间为50 min左右，相对于低轨轨道场景，换星十分频繁，观测数据呈现碎片化特点。

2 高轨GNSS接收机

2.1 系统设计

根据可见性分析结果，GNSS接收机需具备弱信号快速捕获、稳定跟踪和定轨滤波处理功能。实践十七号卫星GNSS接收系统实现框图如图5所示，GNSS天线接收BDS B1I、GPS L1CA和GLONASS L1导航信号，通过滤波和放大后，在基带信号处理模块完成信号捕获、跟踪、伪距测量和定轨处理。

2.2 弱信号捕获

为实现微弱导航信号的快速捕获，GNSS接收机采取长时间积分处理的梳状滤波方法[12]获得较高的信号处理增益。弱信号快速处理模块主要包括预处理模块和搜索引擎模块，具体见图6。其中，预处理模块主要完成GNSS信号的下变频和降采样等预处理工作，由慢速时钟驱动；搜索引擎模块主要完成信号相关运算、非相干累加和峰值搜索过程，由快速时钟驱动。本文信号快速捕获模块支持强信号、弱信号两种搜索模式，通过调整相干积分时间和非相干累加次数分别支持信号主瓣、旁瓣搜索。

(1)

接收机系统噪声温度Tsys=436.2 K，噪声功率谱密度N0=-202.20 dBW/Hz。弱信号模式下，输入信号功率C=-173 dBW，实际载噪比C/N0=29.2 dB·Hz。解调信噪比S/N与相干处理后带宽W的关系：

(2)

式中：S为信号功率；N为噪声功率。根据工程经验，信号解调信噪比门限设置为S/N≥7 dB。结合实际载噪比C/N0，可以得到相干处理后带宽W≤22.2 dB(166 Hz)。基于信号动态范围和信号相干处理增益的折中考虑，本文弱信号相干处理后带宽W取值100 Hz，相干积分时间10 ms，为进一步提高信号检测概率，非相干累加次数取值为20次。设置虚警概率设置为10-7，当信号载噪比为29.2 dBHz，进行10 ms相干积分，20次非相干累加，信号检测概率可以达到99%以上。航天器动态会造成多普勒频率变化率增大，为了抵抗动态造成的影响，10 ms相干积分20次非相干积分时间里，多普勒频率变化率需≤25 Hz/次，这样可以抵抗2.4g加速度。同理，针对强信号模式，输入信号功率C=-160 dBW，实际载噪比C/N0=42.2 dB·Hz，相干处理后带宽W≤35.2 dB(3 311 Hz)，本文强信号相干处理后带宽W取值1 kHz，相干积分时间1 ms，非相干累加次数取值为2次。

捕获参数见表2，在弱信号快速捕获模式下，在200 ms捕获时间内，完成频点搜索40次，频率步进50 Hz，搜索范围为±1 kHz；在强信号快速捕获模式下，在2 ms的时间内，完成频点搜索14次，频率步进500 Hz，搜索范围为±3.5 kHz。

表2 捕获参数

2.3 弱信号跟踪

对弱信号进行稳定跟踪的主要方法是提高相干积分时间，但是长相干积分会因比特边沿的变化影响相干增益，导致信噪比损失。本文采取差分相干累加比特同步算法[13-14]，适用于低信噪比、大频偏下的比特同步。该同步算法在锁频环(Frequency- Locked Loop，FLL)完成同步后，即进行比特同步，判定电文数据比特边沿，锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)和延迟锁定环(Delay-Locked Loop，DLL)均采用已知电文比特边沿先验信息的20 ms相干积分。弱信号跟踪流程见图7。

弱信号跟踪处理主要由FLL、PLL和DLL完成。对于星载动态环境，首先由FLL实现对导航信号频率的锁定，缩小信号频率的动态范围，为PLL跟踪弱信号提高相干积分时间作准备；随后环路转入PLL和DLL，完成对导航信号相位和码相位的锁定。

微弱导航信号处理需要增加预检积分时间，减小环路带宽，降低噪声的影响，提高跟踪处理精度，然而星载动态应用需要减小相干积分处理时间，增大环路带宽以适应动态环境造成的影响。本文在环路参数上进行了折中处理，见表3。

表3 跟踪环参数设计

2.4 定轨解算

为提高GNSS接收机输出导航信息精度，本文采取一种基于动力学模型补偿的扩展卡尔曼滤波自主定轨算法[15]平滑几何信息随机噪声误差，提高航天器位置、速度的实时解算精度。影响定轨精度的主要因素包括测量精度和动力学模型精度。基于高轨航天器的应用特点，原始伪距测量结果可以实现优于10 m的测量精度。动力学模型参数设置见表4。为提高动力学模型精度，定轨处理软件采取了以下方法：通过扩展卡尔曼滤波方法对前一时刻轨道估计的预报值进行线性化，来减小模型线性化产生的误差；重力场采用当前最高精度的地球重力场模型2008模型(Earth Gravitational Model 2008，EGM2008)，提高保守力的模型精度；对难以精确模型的太阳光压作为待估参数，参与滤波估计；用一阶高斯-马尔科夫随机过程模拟补偿加速度，并作为待估参数参与滤波估计，以吸收摄动力模型误差。

表4 动力学模型参数设置

2.5 测试验证

为验证GNSS接收机的性能，本文利用实践十七号卫星GNSS接收机搭建半物理仿真验证系统，采用GNSS8000信号源模拟实践十七号卫星轨道，具体轨道参数参见表1，并将GNSS天线实测增益数据导入GNSS8000信号源，半物理仿真验证系统见图8。定轨轨道位置和速度精度结果见图9。

采用基于动力学模型的扩展卡尔曼滤波定轨算法，实践十七号卫星定轨位置精度32.78 m(三轴，1σ)，速度精度0.008 5 m/s(三轴，1σ)。图10为弱信号进行10 ms相干积分20次非相干累加的检测概率测试结果，GNSS接收机在-173 dBW接收功率下捕获概率能够达到94%，-175 dBW接收功率下捕获概率能够达到61%。图11为伪距测量精度，GNSS接收机在-175 dBW功率时，可以稳定跟踪导航信号，伪距精度误差为9.7 m(1σ)。

3 结束语

本文采取GPS官方最新公布的导航星发射天线方向图，利用STK工具对实践十七号卫星信号可用性进行了分析，多导航系统兼容接收时，可见星数量在7颗以上，可以实现全轨道周期连续定轨，但DOP值均值为10.16，比低轨应用场景高一个数量级。根据分析结果，针对性采取长时间积分处理的梳状滤波方法和差分相干累加比特同步算法，完成强信号、弱信号两种模式的捕获和跟踪，捕获灵敏度达到-173 dBW，跟踪灵敏度达到-175 dBW，相比于低轨普通接收机性能提升13 dB，伪距精度误差小于10 m。通过动力学模型补偿的扩展卡尔曼滤波自主定轨算法，平滑几何信息随机噪声误差，定轨位置精度优于50 m(三轴，1σ)，定轨速度精度优于0.01 m/s(三轴，1σ)。本文的研究对于GEO轨道航天器GNSS应用具有一定的参考价值。

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(编辑：车晓玲)

GNSS receiver techniques based on high earth orbit spacecraft

GAO Yang*，WANG Meng，LIU Lei，CHE Huan，ZHANG Qian

BeijingInstituteofSatelliteInformationEngineering，Beijing100086，China

The visibility of Global Navigation Satellite System (GNSS) applied in high-Earth orbit altitudes dramatically reduces，while space signal power level is weak, and fast signal acquisition and tracking becomes very difficult. For GNSS receiver techniques research，GNSS signals characteristics and availability were analyzed in China′s GEO SJ-17 satellite. Antenna pattern was from the official release. And for high-Earth orbit spacecraft′s GNSS weak signals characteristics，GNSS receiver used long-time integration comb filter method to acquire，took differential coherent bit synchronization method to track and used extended Kalman filter orbit determination based on dynamics. Finally，hardware-in-the-loop tests show that GNSS receiver′s acquisition sensitivity is better than -173 dBW，tracking sensitivity is better than -175 dBW，the position accuracy of orbit determination is better than 50 m，and the velocity is better than 0.01 m/s.

Global Navigation Satellite System；geosynchronous Earth orbit；high sensitivity；receiver

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0015

2016-08-25；

2017-01-11；录用日期：2017-01-24；网络出版时间：2017-06-02 08:59:08

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170602.0859.html

国家自然科学基金青年科学基金“月球及深空航天器GNSS微弱信号处理技术研究”(616011036)

高阳，王猛，刘蕾，等. 基于高轨航天器的GNSS接收机技术[J].中国空间科学技术，2017，37(3)：101-109.

GAOY，WANGM，LIUL，etal.GNSSreceivertechniquesbasedonhighearthorbitspacecraft[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(3)：101-109(inChinese).

TN967.1

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通讯作者：高阳(1985-)，男，硕士，tallergao@126.com，研究方向为导航信号与信息处理