[发明专利]一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统

说明书

一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，属于导航技术领域。本发明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。同时在月球重点区域增加月面无线电信标，播发与GNSS兼容的导航信号，进行区域导航性能增强。在增加少量月球导航资源的基础上，能够大幅度提升月球用户导航定位的实时性与精度，为绕月飞行、定点着陆返回、月面巡视提供实时的高精度导航服务，支持紧急情况下的随时机动，并提供超视距月基空间短报文通信。

技术领域

本发明涉及一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，属于导航技术领域。

背景技术

月球探测后续任务已经从“以科学与工程技术为重点”转变为“以科学研究与资源应用为重点”，该目标对月球用户在环月、月球着陆及上升、月面移动及行走等应用场景中导航的自主性、实时性、导航精度提出了更高的要求。目前月球探测任务的导航技术手段在自主性、实时性及定位精度方面存在较大局限。

GNSS系统利用测距和计时实现天基无线电定位、导航和授时(PNT)功能，能够为地面及低轨用户提供全天候的精确三维位置、三维速度和时间信息。虽然GNSS系统主要针对地面或低空用户设计，但可以通过接收GNSS漏信号实现对月球用户实时定位和时间同步，目前国内外研究机构已经开展了GNSS应用于月球自主导航的研究。

将GNSS应用于月球导航的难点在于：地月空间距离远、链路衰减大，且月球用户主要接收GNSS旁瓣信号，因此可使用的GNSS信号强度极低；GNSS卫星主要集中于月球用户的天顶区域，空间分布相对于月球用户的观测几何极差，造成较大的定位误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，可以在环月、月球着陆及上升、月面移动行走等多个应用场景中为月球用户提供实时定位信息，满足月球探测后续任务的高自主性、实时性及高精度导航需求，同时为月球空间多用户提供短报文服务。

本发明的技术解决方案是：一种基于地球GNSS和月球导航星的月球导航系统，包括地球GNSS导航星座、月球导航星和月球用户；

所述月球导航星上装载定轨载荷，用于接收地球GNSS导航星座的GNSS导航信号，实现初始定位和授时；同时利用北斗导航星座的北斗Ka星间链路以收发时分的方式建立双向时间比对链路，通过双向时间比对链路与北斗导航星座进行双向时间比对，并在两次双向时间比对的时间间隔内，使用原子钟进行守时，保持月球导航星与地球GNSS导航星座的时间同步，结合月球导航星轨道动力学模型进行轨道滤波实现月球导航星定轨；并通过装载月球导航星的导航信号生成模块，生成并播发与GNSS导航信号兼容的月球导航信号，并在月球导航信号上调制地球GNSS导航星座与月球导航星的星历；

所述月球用户上装载有导航终端，通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位。

进一步地，所述通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位，具体的方法为：月球用户通过导航终端无源接收地球GNSS和月球导航星中不小于四颗卫星的导航信号，实现四星无源实时定位。

进一步地，所述通过地球GNSS导航星座和月球导航星实现定位，具体的方法为：月球用户通过导航终端无源接收地球GNSS星座的导航信号，并与月球导航星进行有源双向测量，实现地球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时间同步，月球用户通过钟差解算实现三星实时定位。

进一步地，还包括月面无线电导航信标；所述月面无线电导航信标位于月球表面预设位置处，其上装载有月面信标导航信号生成模块，生成并播发与GNSS导航信号兼容的导航信号，月球用户同时接收信标导航信号、GNSS导航信号和月球导航信号，提升月球预设位置覆盖区域的导航定位精度。