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卫星通导一体化技术及其在探月中的应用

谢浩然 詹亚锋 王晓伟 陈曦

谢浩然, 詹亚锋, 王晓伟, 陈曦. 卫星通导一体化技术及其在探月中的应用[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
引用本文: 谢浩然, 詹亚锋, 王晓伟, 陈曦. 卫星通导一体化技术及其在探月中的应用[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
XIE Haoran, ZHAN Yafeng, WANG Xiaowei, CHEN Xi. Communication-Navigation Integrated Technology and Its Application in Lunar Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
Citation: XIE Haoran, ZHAN Yafeng, WANG Xiaowei, CHEN Xi. Communication-Navigation Integrated Technology and Its Application in Lunar Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087

卫星通导一体化技术及其在探月中的应用

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(61971261,61671263);清华大学自主科研基金资助项目(20194180037)
详细信息
    作者简介:

    谢浩然(1998– )男,博士研究生,主要研究方向:卫星网络化测控。通讯地址:清华大学电子工程系(100084)电话:(010)62773218 邮箱:xiehr20@mails.tsinghua.edu.cn

    詹亚锋(1976– ),男,副研究员,博士生导师,主要研究方向:卫星通信、卫星测控、深空通信。本文通讯作者。通讯地址:北京信息科学与技术国家研究中心(100084)电话:(010)62773218 邮箱:zhanyf@tsinghua.edu.cn

  • ● The existing communication-navigation integrated system is introduced and its problems are analyzed. ● A new integrated communication-navigation architecture based on satellite communication is proposed. ● The high precision positioning and timing service during communication can be provided by the proposed system.
  • 中图分类号: V11

Communication-Navigation Integrated Technology and Its Application in Lunar Exploration

  • 摘要: 相较于自成体系、相互独立的卫星通信或导航系统,通导一体化系统的服务更加立体、更加全面。然而,现有的系统距离真正的通导一体都还存在着一定的差距。基于卫星通信提出了一种连续数据传输系统的通导一体架构及其实现方案,采用的“查询–应答”式的测量策略,无需授时信源和授时信宿在同一时刻发送测距信息,避免了收发测距终端存在的潜在风险,有效地提高了距离和钟差的测量精度。并以载人登月为背景,给出了利用月球中继通信系统实现月面导航的案例。仿真结果表明,通导一体系统在为月面目标提供通信服务的同时,还可以提供较高精度的定位和授时服务,可用于未来载人登月信息系统的设计。
    Highlights
    ● The existing communication-navigation integrated system is introduced and its problems are analyzed. ● A new integrated communication-navigation architecture based on satellite communication is proposed. ● The high precision positioning and timing service during communication can be provided by the proposed system.
  • 图  1  基于卫星通信的通导一体系统测距及授时方案框图

    Fig.  1  Diagram of ranging and timing in integrated communication-navigation system based on satellite communication

    图  2  基于卫星通信的通导一体系统帧结构示意图

    Fig.  2  Diagram of frame structure based on integrated communication-navigation system

    图  3  基于卫星通信的通导一体系统三重覆盖下定位方案

    Fig.  3  Scheme of positioning in triple covering multiplicity based on integrated communication-navigation system

    图  4  基于卫星通信的通导一体系统双重覆盖下定位方案

    Fig.  4  Scheme of positioning in double covering multiplicity based on integrated communication-navigation system

    图  5  相似椭球法示意图

    Fig.  5  Diagram of similar to ellipsoid method

    图  6  等频锥面示意图

    Fig.  6  Diagram of equal frequency conical surface

    图  7  通导一体的月面中继通信系统示意图

    Fig.  7  Diagram of lunar relay communication system based on integrated communication-navigation system

    图  8  通导一体月面中继通信系统在双重覆盖下对月面目标进行导航定位结果

    Fig.  8  Positioning results in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

    图  9  通导一体月面中继通信系统双重覆盖下对月面目标授时结果

    Fig.  9  Timing results in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

    图  10  通导一体月面中继通信系统在不同定轨精度下对月面目标导航定位能力

    Fig.  10  Positioning results in different precision of orbit determination based on lunar relay communication system

    图  11  通导一体月面中继通信系统在单重覆盖下对月面目标进行导航定位结果

    Fig.  11  Positioning results in single covering multiplicity based on lunar relay communication system

    表  1  仿真参数

    Table  1  Simulation parameters

    参数参数设置
    轨道高度(绕月轨道器1/绕月轨道器2)/km200
    轨道倾角(绕月轨道器1/绕月轨道器2)/(°)45/135
    偏心率(绕月轨道器1/绕月轨道器2)/(°)
    参考坐标系J2000.0月固坐标系
    宇航员在参考坐标系下的坐标(–95.595 W,20.04 N)
    工作主频(绕月轨道器1/绕月轨道器2)/MHz200
    双向测距授时查询帧发送频率/s0.178
    处理时延测量误差(上行/下行)/ns0~1之间均匀分布
    接收机相关峰抖动(绕月轨道器/宇航员)/ns0~2.5 之间均匀分布
    定轨残差(绕月轨道器1/绕月轨道器2)/mRMSE = 18.87
    下载: 导出CSV

    表  2  通导一体月面中继通信系统双重覆盖下用户位置解算偏差

    Table  2  Positioning bias in double covering multiplicity based on lunar relay communication system

    参数均值RMSE最大值
    X轴定位偏差0.501.558.84
    Y轴定位偏差0.654.4119.93
    Z轴定位偏差–0.944.9417.19
    水平定位偏差3.852.7720.02
    三维定位偏差5.863.6625.94
    下载: 导出CSV
  • [1] HEGARTY C J,CHATRE E. Evolution of the global navigation satellite system(GNSS)[J]. Proceedings of the IEEE,2008,96(12):1902-1917. doi:  10.1109/JPROC.2008.2006090
    [2] KAZMIERSKI K,SOSNICA K,HADAS T. Quality assessment of multi-GNSS orbits and clocks for real-time precise point positioning[J]. GPS Solutions,2018,22(1):11. doi:  10.1007/s10291-017-0678-6
    [3] HAKANSSON M,JENSEN A B O,HOREMUZ M,et al. Review of code and phase biases in multi-GNSS positioning[J]. GPS Solutions,2017,21(3):849-860. doi:  10.1007/s10291-016-0572-7
    [4] BUSCHE G, SULLIVAN J M, KREJCAREK L E, et al. Satellite communication system: U. S. Patent 10, 103, 812[P]. USA: [s.n], 2018.
    [5] AI G X,SHI H L,WU H T,et al. The principle of the positioning system based on communication satellites[J]. Science in China,2009,52(3):472-488.
    [6] NOREEN G K. An integrated mobile satellite broadcast,paging,communications and navigation system[J]. IEEE Transactions on Broadcasting,1990,36(4):270-274. doi:  10.1109/11.64477
    [7] KAIVANTO E K,BERG M,SALONEN E,et al. Wearable circularly polarized antenna for personal satellite communication and navigation[J]. IEEE Transactions on Antenna and Propagation,2011,59(12):4490-4496. doi:  10.1109/TAP.2011.2165513
    [8] LI R,ZHENG S,WANG E,et al. Advances in BeiDou Navigation Satellite System(BDS)and satellite navigation augmentation technologies[J]. Satellite Navigation,2020,1(1):1-23. doi:  10.1186/s43020-019-0006-0
    [9] YANG Y,GAO W,GUO S,et al. Introduction to BeiDou-3 navigation satellite system[J]. Navigation,2019,66(1):7-18. doi:  10.1002/navi.291
    [10] CUI J X,SHI H L,CHEN J B,et al. The transmission link of CAPS navigation and communication system[J]. Science in China,2009,52(3):402-411. doi:  10.1007/s11430-009-0034-y
    [11] LI J, YE G, ZHANG T, et al. A TT&C management method for satellite constellation networking process[C]//2017 Intelligent Systems Conference(IntelliSys). [S. l. ]: IEEE, 2017: 274-282.
    [12] FLANEGAN M, GAL-EDD J, ANDERSON L, et al. NASA lunar communication and navigation architecture[C]//Space OPS 2008 Conference. Heidelberg, Germany: AIAA, 2008.
    [13] 李梦. 双向测距与时间同步系统提高测量精度的方法研究[D]. 北京: 中国科学院研究生院(国家授时中心), 2014.

    LI M. Research on improving ranging precision method in dual one-way ranging and time synchronization system[D]. Beijing: Chinese Academy of Sciences(National Time Service Center), 2014.
    [14] TIAN A, DONG D, NING D, et al. GPS single point positioning algorithm based on least squares[C]//2013 Sixth International Symposium on Computational Intelligence and Design. [S. l. ]: IEEE, 2013.
    [15] LIN X Y. A position solution method for double-star position system[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University,2009,34(5):564-567.
    [16] 易卿武. 转发式低轨单星多普勒定位解算技术[J]. 计算机测量与控制,2020,28(7):235-238.

    YI Q W. Single transponding LEO satellite Doppler positioning calculate method[J]. Computer Measurement & Control,2020,28(7):235-238.
  • [1] 黄仕杰, 张海燕, 胡浩.  FAST与周边移动通信基站电磁干扰分析 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190618004
    [2] 熊亮, 张磊.  月球南极中继通信轨道仿真分析 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191108006
    [3] 刘适, 李炯卉.  多器联合月球极区探测通信系统设计 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191029001
    [4] 李凉海, 刘向南, 李晓亮.  深空激光通信进展及应用研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2019.06.002
    [5] 郭朋真, 李博, 康冬鹏, 于思源, 王淇, 南方, 谭立英, 马晶.  J2轨道模型对月地激光通信预瞄准精度影响研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2019.06.003
    [6] 王淇, 马晶, 谭立英, 于思源, 周远东.  月地高速激光通信系统链路特性分析 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2019.06.004
    [7] 傅惠民, 杨海峰, 文歆磊.  自识别自校准Kalman滤波方法 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.013
    [8] 郝万宏, 董光亮, 李海涛, 王宏, 樊敏, 周欢, 徐得珍.  火星大气进入下降着陆段测控通信关键技术研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.004
    [9] 杨伟豪, 董光亮, 朱键, 李海涛, 杨升浩, 陈超.  空间通信与BATS码:天成之合 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.004
    [10] 徐进, 张爱兵, 贺一峰, 杨光文.  “嫦娥4号”中继星中继通信方案研究与分析 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.002
    [11] 张立华, 吴伟仁.  月球中继通信卫星系统发展综述与展望 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.001
    [12] 刘向南, 李英飞, 向程勇, 谌明, 李晓亮.  激光测距通信一体化技术研究及深空应用探索 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.006
    [13] 王亚敏, 刘银雪, 蒋峻, 孙煜坤, 张永合.  基于引力场不对称性的三体系统轨道自主导航 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.004
    [14] 张恒, 张伟, 陈晓.  深空测角测速组合导航系统时间配准方法研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.010
    [15] 欧阳威, 张洪波, 郑伟.  环火星自主导航系统设计及参数优化研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.007
    [16] 何芸, 刘祺, 田伟, 段会宗, 叶贤基, 范淑华, 李语强.  地月第二拉格朗日点卫星激光测距技术研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.005
    [17] 刘磊, 曹建峰, 胡松杰, 唐歌实.  地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.008
    [18] 王春锋.  卫星编队自主相对导航与通信一体化系统探讨 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.006
    [19] 汪梁, 赵方方, 陈翠桥, 徐照钱.  粒子滤波在自主天文导航系统中的性能评估和应用 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.008
    [20] 范双菲, 赵方方, 李夏菁, 唐忠樑, 贺威.  基于SINS/CNS组合导航系统的多模型自适应估计算法 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.005
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-29
  • 修回日期:  2021-01-15
  • 网络出版日期:  2021-05-11

卫星通导一体化技术及其在探月中的应用

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(61971261,61671263);清华大学自主科研基金资助项目(20194180037)
    作者简介:

    谢浩然(1998– )男,博士研究生,主要研究方向:卫星网络化测控。通讯地址:清华大学电子工程系(100084)电话:(010)62773218 邮箱:xiehr20@mails.tsinghua.edu.cn

    詹亚锋(1976– ),男,副研究员,博士生导师,主要研究方向:卫星通信、卫星测控、深空通信。本文通讯作者。通讯地址:北京信息科学与技术国家研究中心(100084)电话:(010)62773218 邮箱:zhanyf@tsinghua.edu.cn

  • ● The existing communication-navigation integrated system is introduced and its problems are analyzed. ● A new integrated communication-navigation architecture based on satellite communication is proposed. ● The high precision positioning and timing service during communication can be provided by the proposed system.
  • 中图分类号: V11

摘要: 相较于自成体系、相互独立的卫星通信或导航系统,通导一体化系统的服务更加立体、更加全面。然而,现有的系统距离真正的通导一体都还存在着一定的差距。基于卫星通信提出了一种连续数据传输系统的通导一体架构及其实现方案,采用的“查询–应答”式的测量策略,无需授时信源和授时信宿在同一时刻发送测距信息,避免了收发测距终端存在的潜在风险,有效地提高了距离和钟差的测量精度。并以载人登月为背景,给出了利用月球中继通信系统实现月面导航的案例。仿真结果表明,通导一体系统在为月面目标提供通信服务的同时,还可以提供较高精度的定位和授时服务,可用于未来载人登月信息系统的设计。

注释:
1)  ● The existing communication-navigation integrated system is introduced and its problems are analyzed. ● A new integrated communication-navigation architecture based on satellite communication is proposed. ● The high precision positioning and timing service during communication can be provided by the proposed system.

English Abstract

谢浩然, 詹亚锋, 王晓伟, 陈曦. 卫星通导一体化技术及其在探月中的应用[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
引用本文: 谢浩然, 詹亚锋, 王晓伟, 陈曦. 卫星通导一体化技术及其在探月中的应用[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
XIE Haoran, ZHAN Yafeng, WANG Xiaowei, CHEN Xi. Communication-Navigation Integrated Technology and Its Application in Lunar Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
Citation: XIE Haoran, ZHAN Yafeng, WANG Xiaowei, CHEN Xi. Communication-Navigation Integrated Technology and Its Application in Lunar Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200087
参考文献 (16)

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