月球及深空航天器GNSS微弱信号处理技术研究

In recent years, with validation and promotion of GNSS applications on GEO satellites, GNSS autonomous navigation in the moon and deep space spacecraft has become a domestic and international research trends and hot spots. With the goal of using GPS for autonomous navigation of spacecraft in deep space, the problems that affect the signal processing such as complex GNSS signal transmission model，observability of navigation satellite，GNSS weak signal acquisition and tracking method，will be solved in order to make the autonomous navigation possible in stress conditions. The main contents of the project include: GNSS channel transmission model in deep space; coherent / non-coherent acquisition threshold and sensitivity analysis；a Finite auxiliary information acquisition method; stable weak GNSS signal tracking method；technology based on the non-coherent carrier tracking; deep space GNSS signal processing simulation and evaluation. The achievements of this project will provide the theory supporting the development of GNSS receiver applied in deep space missions and the Beidou receiver which is significant to the autonomous navigation and control in deep space exploration of our nation.

近年来，随着GNSS在GEO高轨卫星应用验证和推广，利用GNSS进行月球及深空航天器自主导航已成为国内外研究的趋势和热点。本项目以实现深空GNSS微弱信号处理为目标，重点解决深空GNSS信号复杂的传输模型，分析导航星可观测性，研究适用于深空GNSS微弱信号捕获跟踪方法，解决深空GNSS微弱信号难以接收信号处理的瓶颈问题，为深空航天器利用GNSS导航信号进行自主导航奠定了基础。项目的主要研究内容包括：空GNSS信道传输模型及GNSS可观性研究；相干/非相干下捕获门限以及灵敏度极限值分析，提出一种有限辅助信息的高灵敏捕获方法；微弱GNSS信号稳定的GNSS跟踪环路方法研究，探讨一种基于非相干载波跟踪技术；深空GNSS信号处理技术仿真和评估。项目完成后，将为我国深空航天器GNSS自主导航技术提供理论基础，对高灵敏度北斗全球卫星导航接收机提供技术支持，对我国深空探测的导航与控制具有重要意义。

人类对月球及深空的探索活动越来越频繁，如果在月球及深空航天器中能够利用GNSS导航技术，将会大大减轻传统基于地面测控网的任务负担。本课题将研究月球及深空航天器微弱GNSS信号接收处理关键技术，绕月球及深空信道传输模型和GNSS可观性研究、微弱信号捕获算法和跟踪算法内容，搭建了仿真验证平台，对上述研究进行验证。.课题组共发表文章7篇（1篇SCI检索，1篇EI检索），均为第一标注，申请国家发明专利2项，完成了项目预期研究成果（要求发表论文不少于5篇，其中SCI/EI不少于1篇，申请发明专利1～2项），在北斗导航学术年会做特邀报告1次。.本项目取得的主要研究成果有：.（1）课题组针对月球及深空航天器建立导航信道传输模型，开展导航信号可观性研究，并针对环月轨道典型场景下针对GNSS可观性进行了分析，证明了月球空间GNSS导航可行性。国际上首次使用我国北斗三号全球组网星座，及混合星座对月球空间GNSS的可用性进行了分析；.（2）课题组针对微弱导航信号检测概率及门限分析，开展导航信号的灵敏度极限研究，提出基于梳妆滤波器相干累加的高灵敏度捕获架构，给出了一种基于GNSS定轨及外推位置信息的高灵敏捕获方法，提出了针对北斗NH码二次调制高灵敏捕获方法，提升了导航信号低信噪比下处理能力；.（3）课题组研究了一种累加量共轭相乘比特同步算法及跟踪环路优化方法，适用于低信噪比、大频偏下的比特同步，提出了一种基于非相干鉴相器的载波跟踪技术研究，并对其性能进行了仿真分析；.（4）课题组研究并形成一套导航信号高灵敏度算法仿真验证系统平台，并针对微弱导航信号处理方法和参数进行验证和评估；.（5）通过上述课题的研究为我国未来的载人登月任务、探月四期任务立项论证过程中GNSS自主导航技术可行性提供了理论支撑和试验数据支撑。