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關(guān)于太空中GNSS應(yīng)用的探討

在過去幾年中,GNSS系統(tǒng)在空曠場景中達(dá)到了很好的定位效果,然而在城市區(qū)域、隧道等地區(qū)的定位工作依然是研究的熱點。本文主要探討復(fù)雜環(huán)境中GNSS系統(tǒng)的使用。

圖 1 Dove GNSS 定規(guī)路徑

《Dove GPS: 立方衛(wèi)星定軌的一種非常規(guī)方法》:認(rèn)為獨立軌道確定是負(fù)責(zé)操作小型衛(wèi)星的一項基本能力。“Dove”航天器的尺寸、重量和功率都受到嚴(yán)格限制。在發(fā)射配置中,每顆衛(wèi)星的大小約為30 x 10 x 10厘米,質(zhì)量為5千克。容量限制使得商用GNSS接收模塊對該應(yīng)用沒有吸引力。由于“Dove”設(shè)計已經(jīng)包含了大量的機(jī)載計算和通信能力,文章看到了一個機(jī)會,可以重新利用這些資源來提供GPS接收機(jī)解決方案。該接收機(jī)所需的唯一附加組件是一個貼片天線、低噪聲放大器、SAW濾波器和GNSS射頻前端芯片組。這些添加成分的體積、重量和功率分別為1 cm3、1.5 g和115 mw。


軌道模型通過非線性最小二乘法擬合到GNSS狀態(tài)向量。軌道模型由笛卡爾狀態(tài)向量和彈道系數(shù)組成。整個處理流程是自動化的,運行在可擴(kuò)展的云計算解決方案上。將GNSS樣本處理從衛(wèi)星上移開的代價是增加軌道確定過程的延遲。


該文中,研究人員開發(fā)了基于快照的GNSS接收機(jī),并將其與Dove cubesat集成在一起。盡管Dove解決方案的性能不能與傳統(tǒng)的實時GNSS接收機(jī)媲美,但它體積小、重量輕、功率低,而且完全符合任務(wù)要求。迄今為止,該解決方案已應(yīng)用于空中飛行的185顆Dove衛(wèi)星上,并成為定軌的主要觀測數(shù)據(jù)來源。


《低軌飛行任務(wù)中空間GNSS接收機(jī)的精確實時在軌軌道確定(P2OD)性能評估》這篇文章介紹了空間PPP接收機(jī)在典型LEO任務(wù)中的首次實驗室性能評估,目標(biāo)是達(dá)到技術(shù)成熟水平(TRL-6),并在空間環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)原型演示。


為了進(jìn)行初步的P2OD算法評估,研究人員使用了Sentinel-3A數(shù)據(jù)、Fugro的PPP軟件和精確的GPS軌道/時鐘(參考天線參考點(ARP))對動態(tài)PPP解決方案與從質(zhì)量軌道和姿態(tài)信息(四元數(shù))中心獲得的基于ARP的Sentinel-3A軌道進(jìn)行了比較。已為2018年5月的每一天生成了兩種運動學(xué)解:


  • PVT解決方案:使用廣播星歷表(導(dǎo)航數(shù)據(jù))通過載波相位測量平滑雙頻偽距。PVT精度(3D RMS)顯示位置為1.28 m 3D RMS,速度為2.1 cm/s。


  • PPP解決方案:雙頻偽距和載波相位測量,使用Fugro的精確GPS軌道/時鐘。PPP解決方案精度(3D RMS)實現(xiàn)位置為8cm,速度為4mm/s。結(jié)果表明,使用Sentinel-3A數(shù)據(jù)時,PPP收斂時間為15-20分鐘,僅基于GPS L1/L2數(shù)據(jù)。由于雙星群(GPS+Galileo)衛(wèi)星數(shù)量的增加以及現(xiàn)代化GNSS信號偽距噪聲的降低,預(yù)計精確定位時間(TTPF)將得到實際改善。


試驗的目的是證明精準(zhǔn)的星載軌道確定(P2OD)算法能夠以預(yù)期的精度處理星載GNSS測量。無論這些GNSS星座和波段是否有來自飛行任務(wù)的數(shù)據(jù),同樣的評估都可以利用L1/E1和L5/E5a波段的數(shù)據(jù)來完成。


圖 2 奧斯陸 GPS+GAL PPP 定位結(jié)果


PPP數(shù)據(jù)校正鏈路將使用國際海事衛(wèi)星組織的L波段實時信號和L波段調(diào)制器進(jìn)行驗證,該調(diào)制器將用于模擬預(yù)計在低軌軌道上增加的多普勒,使用射頻星座模擬器(RFCS)測試原始GNSS測量(如偽距、載波相位等)和獨立雙頻PVT解決方案的質(zhì)量。模擬的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器軌跡可以從低軌衛(wèi)星(如ESA-EO)的真實任務(wù)后精密星歷中提取,也可以從低軌軌道的任意表示中提取。除了此機(jī)載吊艙精度驗證外,還將使用射頻星座模擬器和實驗室試驗臺來支持性能和功能要求的驗證,如冷啟動和熱啟動能力、首次修復(fù)時間(TTFF)、精確修復(fù)時間(TTPF):故障檢測。接插和卸載功能、地面可升級性能等。


文章提出了一個雄心勃勃的計劃:為未來的空間LEO任務(wù)提供自主精準(zhǔn)機(jī)載實時軌道確定系統(tǒng)。系統(tǒng)的關(guān)鍵要素是基于Xilinx Zynq FPGA的低成本雙頻GPS / Galileo接收機(jī),該接收機(jī)以CubeSat形狀因素的形式集成在符合空間運行要求的SDR硬件平臺中,并由PPP SW庫加以補(bǔ)充。


文章提議的方法包括許多技術(shù)創(chuàng)新,如基于SDR的GNSS接收機(jī)、L波段解調(diào)器和機(jī)載PPP軟件等,所有這些技術(shù)均已嵌入CubeSat形狀因素硬件中。可以預(yù)見的是,技術(shù)創(chuàng)新將推動實現(xiàn)前所未有的定位性能,同時減少設(shè)備及運營成本,為大地觀測或通信相關(guān)的LEO任務(wù)提供新的功能,開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。


系統(tǒng)的原型目前由Deimos Space UK領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)營集團(tuán)根據(jù)ESA(歐洲航天局)的合同進(jìn)行開發(fā),計劃于2020-2021年進(jìn)行CubeSat在軌示范。該文持續(xù)進(jìn)行的驗證活動的初步結(jié)果顯示了該集團(tuán)迫切希望在實際場景條件下所進(jìn)行的性能驗證是非常有前景的。



1. J.M. Palomo, P. D'angelo, P. F. Silva, A.J. Fernández, DEIMOS Space, Spain; P. Giordano, P. Zoccarato, ESA-ESTEC; J. Tegedor, O. Oerpen, Fugro Norway AS, Norway; L.B. Hansen, GomSpace A/S; C. Hill, T. Moore, The University of Nottingham, UK. Space GNSS Receiver Performance results with Precise Real-Time On-board Orbit Determination (P2OD) in LEO Missions. ION GNSS+ 2019.

來源:上海北斗導(dǎo)航創(chuàng)新研究院,原文標(biāo)題《太空中的GNSS應(yīng)用》


文章分類: 行業(yè)資訊
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