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關于太空中GNSS應用的探討

在過去幾年中,GNSS系統在空曠場景中達到了很好的定位效果,然而在城市區域、隧道等地區的定位工作依然是研究的熱點。本文主要探討復雜環境中GNSS系統的使用。

圖 1 Dove GNSS 定規路徑

《Dove GPS: 立方衛星定軌的一種非常規方法》:認為獨立軌道確定是負責操作小型衛星的一項基本能力。“Dove”航天器的尺寸、重量和功率都受到嚴格限制。在發射配置中,每顆衛星的大小約為30 x 10 x 10厘米,質量為5千克。容量限制使得商用GNSS接收模塊對該應用沒有吸引力。由于“Dove”設計已經包含了大量的機載計算和通信能力,文章看到了一個機會,可以重新利用這些資源來提供GPS接收機解決方案。該接收機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狀態向量。軌道模型由笛卡爾狀態向量和彈道系數組成。整個處理流程是自動化的,運行在可擴展的云計算解決方案上。將GNSS樣本處理從衛星上移開的代價是增加軌道確定過程的延遲。


該文中,研究人員開發了基于快照的GNSS接收機,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的實時GNSS接收機媲美,但它體積小、重量輕、功率低,而且完全符合任務要求。迄今為止,該解決方案已應用于空中飛行的185顆Dove衛星上,并成為定軌的主要觀測數據來源。


《低軌飛行任務中空間GNSS接收機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接收機在典型LEO任務中的首次實驗室性能評估,目標是達到技術成熟水平(TRL-6),并在空間環境下進行了系統原型演示。


為了進行初步的P2OD算法評估,研究人員使用了Sentinel-3A數據、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PPP解決方案與從質量軌道和姿態信息(四元數)中心獲得的基于ARP的Sentinel-3A軌道進行了比較。已為2018年5月的每一天生成了兩種運動學解:


  • PVT解決方案:使用廣播星歷表(導航數據)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)實現位置為8cm,速度為4mm/s。結果表明,使用Sentinel-3A數據時,PPP收斂時間為15-20分鐘,僅基于GPS L1/L2數據。由于雙星群(GPS+Galileo)衛星數量的增加以及現代化GNSS信號偽距噪聲的降低,預計精確定位時間(TTPF)將得到實際改善。


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


圖 2 奧斯陸 GPS+GAL PPP 定位結果


PPP數據校正鏈路將使用國際海事衛星組織的L波段實時信號和L波段調制器進行驗證,該調制器將用于模擬預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解決方案的質量。模擬的全球導航衛星系統接收器軌跡可以從低軌衛星(如ESA-EO)的真實任務后精密星歷中提取,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、首次修復時間(TTFF)、精確修復時間(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任務提供自主精準機載實時軌道確定系統。系統的關鍵要素是基于Xilinx Zynq FPGA的低成本雙頻GPS / Galileo接收機,該接收機以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庫加以補充。


文章提議的方法包括許多技術創新,如基于SDR的GNSS接收機、L波段解調器和機載PPP軟件等,所有這些技術均已嵌入CubeSat形狀因素硬件中。可以預見的是,技術創新將推動實現前所未有的定位性能,同時減少設備及運營成本,為大地觀測或通信相關的LEO任務提供新的功能,開辟新的應用領域。


系統的原型目前由Deimos Space UK領導的聯營集團根據ESA(歐洲航天局)的合同進行開發,計劃于2020-2021年進行CubeSat在軌示范。該文持續進行的驗證活動的初步結果顯示了該集團迫切希望在實際場景條件下所進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:上海北斗導航創新研究院,原文標題《太空中的GNSS應用》


文章分類: 行業資訊
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