一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统及方法与流程

本发明涉及一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，是导航制导和控制，具体地，涉及一种基于环月轨道卫星和月面导航基站组成的月面区域高精度导航系统。

背景技术：

1、目前，随着航天技术的不断发展，越来越多的国家开始着手探索月球的探测任务，对月面区域高精度导航提出了较高的要求，现有的导航手段不能满足实际工程需要，在月球表面的探测器(车)或机器人乃至登月着陆器着陆末期的高精度区域导航成为重要研究方向之一。传统的探测器导航方法主要依靠地面指令辅助、人工操控或自主导航(光学导航、惯性导航等)，但这些方法存在着导航精度低(至高百米级)、实时性差、抗干扰能力差等问题，具有一定的局限性，且每个探测器均需携带导航设备，研制成本大幅增加。因此，研究一种高精度、抗干扰能力强、可扩展、长期可复用的面向月面及地月空间的自主导航定位系统具有重要的现实意义，可为后续探月工程和国际科研站的建设、月球表面探测器(车)或机器人的精确任务规划、登月着陆器的高精度着陆、空间战略资源探测和开发等提供高精度导航支持，为工程任务提供有力的技术支撑，同时可降低探测器(车)、着陆器的研制成本。

2、目前全球范围内也针对月面导航研究了一些可行的方案，如公开号为cn112394381b公开的一种基于球卫星的全自主月面导航和数据通信方法，该方法选择环月圆轨道作为导航卫星运行轨道可以有效地覆盖月面，确保月面任意一点在任意时刻可以接收到有效的导航卫星信号。虽然该方案能够实现月面任意点的导航定位以及月面任意两点之间的数据传输，可以很好的满足载人登月活动任务需求。但是该方案需要新建一个月球导航星座，且至少需要4个导航星，导航星体积大，重量大，制作成本和运送成本非常高。

3、又如公开号为cn110986964b公开的一种基于地球gnss和月球导航星的月球导航系统，该方案通过在月球轨道增加一颗导航卫星，播发与gnss兼容的导航信号，联合地球gnss改善月球用户的观测几何，同时建立地球gnss导航星座与月球导航星之间以及月球导航星与月球用户之间的双向时间同步链路，解决用户接收机钟差和径向位置误差无法解耦的问题，提升月球用户实时定位精度。但是该方案基于地球的基站。众所周知，地面基站如果对月，对天线要求极高，需要装载很大的快速响应的伺服机构，对天线的指向要求高，要求角度非常小，另外还存在空间上的信号衰减，实现成本非常高。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何建设低成本、精度高的月面导航。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，包括月面导航基站、环月轨道卫星，所述月面导航基站和环月轨道卫星的位置已知且时间同步；所述环月轨道卫星、月面导航基站、被服务对象三者通信连接；所述环月轨道卫星和月面导航基站同时播发导航电文，所述导航电文被服务对象接收，基于多球交会原理，实现所述被服务对象自身位置的定位和导航。本发明利用卫星与基站的组合，利用卫星提供授时和确定月面导航基站位置，由基站播发导航电文，然后被服务对象的接收机基于多球交会原理，可以实现自身位置的高精度定位和导航，相较于现有的光学导航和惯性导航，导航定位精度可从百米级提升至米级，显著提高了被服务对象的导航定位精度。

4、进一步的，所述月面导航基站为4个及以上。

5、进一步的，所述环月轨道卫星为2个及以上。

6、进一步的，所述月面导航基站包括主基站和从基站，所述从基站接收主基站的导航信号。

7、进一步的，所述月面导航基站接收环月轨道卫星的导航信号，并解算环月轨道卫星的发信时刻，通过计算环月轨道卫星与月面导航基站的空间时延获取本地时钟在环月轨道卫星时间系统内的精确时刻，实现时间同步。

8、进一步的，所述环月轨道卫星还搭载遥感探测载荷，为地面提供月面的遥感探测数据。

9、进一步的，所述环月轨道卫星还作为被服务对象的通信中继卫星。

10、本发明还提供一种面向月面及地月空间的自主导航定位方法，应用于上述的系统，包括以下步骤：

11、步骤1.月面导航基站与环月轨道卫星时间同步；

12、步骤2.环月轨道卫星和各月面导航基站发送本站伪码扩频的导航信号；

13、步骤3.被服务对象接收来自环月轨道卫星和各月面导航基站的导航信号，并进行滤波处理；

14、步骤4.被服务对象对步骤3滤波后的导航数据进行融合处理，包括数据的时间同步、频率同步、数据质量判断并剔除质量较差的数据；

15、步骤5.被服务对象解析经数据融合处理后的导航电文，基于多球交会测量原理解算出接收机的时间、位置和速度，通过融合环月轨道卫星和月面导航基站的数据；计算被服务对象的当前位置与规划轨迹偏差；

16、步骤6.根据位置偏差计算所需控制量；

17、步骤7.根据当前执行机构状态进行控制量分配；执行机构执行对应控制动作，直至实现规划轨迹跟踪。

18、本发明的优点在于：

19、本发明利用卫星与基站的组合，利用卫星提供授时和确定月面导航基站位置，由基站播发导航电文，然后被服务对象的接收机基于多球交会原理，可以实现自身位置的高精度定位和导航，相较于现有的光学导航和惯性导航，导航定位精度可从百米级提升至米级，显著提高了被服务对象的导航定位精度。

技术特征：

1.一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，其特征在于，包括月面导航基站、环月轨道卫星，所述月面导航基站和环月轨道卫星的位置已知且时间同步；所述环月轨道卫星、月面导航基站、被服务对象三者通信连接；所述环月轨道卫星和月面导航基站同时播发导航电文，所述导航电文被服务对象接收，基于多球交会原理，实现所述被服务对象自身位置的定位和导航。

2.根据权利要求1所述的一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，其特征在于，所述月面导航基站为4个及以上。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，其特征在于，所述环月轨道卫星为2个及以上。

4.根据权利要求1或2所述的一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，其特征在于，所述月面导航基站包括主基站和从基站，所述从基站接收主基站的导航信号。

5.根据权利要求1或2所述的一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，其特征在于，所述月面导航基站接收环月轨道卫星的导航信号，并解算环月轨道卫星的发信时刻，通过计算环月轨道卫星与月面导航基站的空间时延获取本地时钟在环月轨道卫星时间系统内的精确时刻，实现时间同步。

6.根据权利要求1或2所述的一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，其特征在于，所述环月轨道卫星还搭载遥感探测载荷，为地面提供月面的遥感探测数据。

7.根据权利要求1或2所述的一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统，其特征在于，所述环月轨道卫星还作为被服务对象的通信中继卫星。

8.一种面向月面及地月空间的自主导航定位方法，应用于权利要求1至7任一所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明记载一种面向月面及地月空间的自主导航定位系统及导航方法，包括月面导航基站、环月轨道卫星，月面导航基站和环月轨道卫星的位置已知且时间同步；所述环月轨道卫星、月面导航基站、被服务对象三者通信连接；所述环月轨道卫星和月面导航基站同时播发导航电文，所述导航电文被服务对象接收，基于多球交会原理，实现所述被服务对象自身位置的定位和导航。本发明利用卫星与基站的组合，利用卫星提供授时和确定月面导航基站位置，由基站播发导航电文，然后被服务对象的接收机基于多球交会原理，可以实现自身位置的高精度定位和导航，相较于现有的光学导航和惯性导航，导航定位精度可从百米级提升至米级，显著提高了被服务对象的导航定位精度。

技术研发人员：陈晓,李奎,尤伟,徐航,陈刚,李振,贾琳,方振
受保护的技术使用者：深空探测实验室（天都实验室）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21