高轨航天器GNSS信号跟踪技术研究与实现

摘要

高轨卫星由于其轨道高度高，一颗卫星就可以几乎将整个半球覆盖，因此在通信、气象等领域内发挥着极为重要的作用。关于航天器的定轨问题是高轨领域研究的重点。而传统的卫星定轨技术多采用地面站的形式，当高轨卫星数量过多时，将必然增大地面站的处理难度，并且我国目前尚未完成全球覆盖的地面站的建设。全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是比较完善的导航定位系统，它可以为用户提供全天候的定位和授时服务。随着科技水平的不断进步，GNSS的应用范围也越来越广泛，将现有的GNSS系统应用在高轨航天器自主定位中具有非常重要的实际意义。 相比于日渐成熟的低轨卫星定轨技术，高轨航天器的GNSS定位还存在许多亟待解决的问题。GNSS导航卫星在设计之初，主要面向地面用户服务，因此导航卫星信号的辐射方向均指向地心。而高轨航天器的运行轨道高于GNSS卫星轨道，这就使得高轨航天器GNSS接收机只能接收到来自地球对面的信号。由于导航卫星与高轨航天器之间距离过远，路径损耗及大气损耗会比地面接收机增加很多，导致接收信号的信噪比过低。同时由于接收信号条件苛刻，接收机的可见星数量也大幅减少。 针对高轨航天器自主定轨面临的问题，本文首先对高轨航天器所处空间环境进行分析，得出接收机完成准确定位所需要的最小灵敏度以及接收信号的多普勒频移等一系列指标。研究弱信号跟踪策略，对传统GPS信号跟踪环路进行改进。考虑到改进的跟踪环路将在硬件平台实现以及验证，因此不宜采用运算复杂度过高的算法。本文通过对信号相干累积时间和环路带宽进行改进，来提高跟踪环路输出信号的信噪比，以降低频率跟踪误差。之后根据提出的方法，在MATLAB平台进行了仿真验证，得出在环路带宽为5Hz，相干累积时间为20ms时，跟踪环路能够在信噪比低至-39dB时完成信号的可靠跟踪。之后又根据高轨航天器所处的空间环境以及应用场景，分析波束成形技术为接收机的射频前端带来的增益。 最后，使用simulink完成系统设计与模型搭建，之后完成了跟踪环路在硬件平台中的实现，实验结果满足高轨航天器自主定轨所需要的最小灵敏度。

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