【人在太空】 GNSS扩展应用定位导航

众所周知，美国于1994年全面建成GPS在实现全球海、陆、空全方位实时导航、定位和授时功能后，GPS该系统以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点，在航空、航天、测绘、交通、气象、军事、农业等领域得到了广泛的应用。当今，除了GPS系统，中国独立的北斗卫星导航系统已发展到第三代，明年上半年完成，欧洲伽利略系统和俄罗斯格洛纳斯系统不断建设和更新，这些卫星导航系统及其增强系统构成全球导航卫星系统GNSS，它已成为现代大国安全经济的基础设施，在政治、经济、军事等领域具有重要意义。

随着互联网、信息和通信技术的快速发展，GNSS以前所未有的速度影响和改变我们的生活方式。例如，当你第一次从北京开车到上海时，你可以使用智能手机GNSS定位功能确认您的位置，并使用导航功能规划驾驶路线。这已成为一种经济、实用、流行的旅行指导方式。

GNSS该系统不仅可以为地面用户提供导航服务，还可以覆盖距离地面3万英镑km地球低轨卫星、国际空间站国际空间站和宇航员GNSS实现高精度、可靠的定位和导航。但是，对于更远的空间，比例GNSS星座较高的航天器呢？甚至在月球上？GNSS还能提供导航支持吗？是的，就在10月30日，美国太空新闻网站报道，下一代宇航员将在月球表面着陆时使用它GPS完成定位操作。

那么，GNSS该系统如何为更高轨道和月球上的用户提供定位导航支持？首先，让我们了解使用情况GNSS定位元素：

用户接收器可以收到4颗以上导航卫星的信号，可以从信号中测量接收器与导航卫星之间的伪距离，可以在每个信号上解调导航电文数据码，获取导航卫星的轨道信息。

因此，可以进行定位解算。由于GNSS系统主要是地面和3000km因此，GNSS卫星向地球发射天线。例如，GPS天线主瓣波束宽度为42.6°，能覆盖地面30000km以下高度范围。那么，更高轨道的用户只能从地球同侧接收GPS地球另一侧卫星的主瓣和旁瓣信号或卫星的旁瓣信号。

用户离地球越远，离地球越远GNSS卫星距离越大，信号传输距离越大，信号越弱。而GNSS卫星发射天线的侧瓣信号弱于主瓣信号。因此，对于GNSS对于星座以外的用户来说，信号接收难度大大GNSS卫星数量大幅减少。考虑地月距(约3.8万万km），月面目标接收GNSS信号强度只能达到地面用户的1/1000。

远离导航卫星的用户不仅会产生上述问题，还会影响定位精度。定位精度取决于导航卫星相对于用户的空间几何分布。位置精度因子通常使用（PDOP）表示定位精度。在几何方面，当可见导航卫星均匀分布在用户周围时，几何分布更好，相应PDOP值小，定位精度高；相反，当可见导航卫星集中在一个地方或排列在直线上时，几何分布差，相应的PDOP值大，定位精度低。

在定量方面，假设每颗可见导航卫星与用户之间的单位距离，那么由每颗导航卫星和用户连接组成的锥体的体积和相应的PDOP值成反比。对于地面和3000km以下用户，良好的定位结果一般对应PDOP值约的单点定位精度约为3米。地球静止轨道卫星(高度约为3.6万km），PDOP相应的单点定位精度达到10米左右。

随着用户轨道的改进，它与GNSS卫星间距离较远，导致可见导航卫星几何分布差，位置精度因子急剧增加。对于月度目标，PDOP值可的单点定位精度可能会恶化到数百或千米的量级。

可以从两个方面改进上述月球目标导航面临的信号弱、测量几何差的问题：

GNSS接收机配备了更多的接收天线，特别是高增益接收天线，尽可能提高接收信号的强度，实现弱信号捕获跟踪，可以增加可见导航卫星的数量，并在一定程度上改善PDOP值。GNSS接收器配备更稳定的钟，实现增强的导航滤波算法和钟差模型，使接收器能够向外推轨道动力学和钟差模型，解决某些时刻不到4颗星和PDOP价值恶化带来的无法定位问题。

通过这些性能改进，GNSS接收机可适用于更高轨道的航天器导航。

此外，我们还应月度目标的定位导航GNSS系统覆盖问题。由于天文学中的潮汐锁定现象，月球绕地球的周期等于自转周期（均为27.5天），月球的一面只能从地球上看到。事实上，由于月球的平衡，我们可以看到50%以上的月球，但59%，包括南北极地区。那么，GNSS该系统可以覆盖月球的正面和极端区域，但不能为月球背面的目标提供服务，如嫦娥四号探测器。

月球天平动现象潮汐锁定

实际上，为了使GNSS科学家和工程师已经开展了大量的科研工作，从近距离扩展到更远的空间，直到地月系空间。早在GPS当该系统仍处于论证和试验阶段时，洛克希明确得出分析结论：在地球高轨道卫星上使用高增益天线可以实现GPS导航。在过去的20年里，许多航天机构进行了技术研究和利用GNSS实验支持高轨道航天器导航，取得了良好的应用成果。

例如，2001年，NASA使用业余卫星（AMSAT-OSCAR 40，AO-40)携带的高增益C/A码GPS接收机进行试验，距地面5.9万km成功接收4个以上GPS通过事后处理，实现了卫星信号的定位。2015年，NASA磁层多尺度任务（MMS）由戈达德航天飞行中心开发的4颗自旋稳定编队卫星Navigator接收机实现了15万台 km高度上的GPS导航，精度10m量级。

Navigator接收机

2014年10月，中国在探月工程三期重返飞行探测器（CE-5T1)首次搭载GNSS接收机成功获得6万台km月球回到轨道上GNSS数据和实时定位结果GNSS该技术为月球探测器导航提供了宝贵的经验。

CE-5T1飞行轨道

利用这些研究成果和试验经验GNSS月球探测器和登月宇航员的定位导航指日可待。此外，2020年6月底，中国北斗三号系统将全部建成，全球服务能力将进一步提升。GPS北斗3号系统的增加可以使月度目标可见的导航卫星数量增加一倍，大大改善了导航卫星的几何分布，为月度目标的定位导航提供了更可靠的保证。

今年是美国阿波罗登月50周年，NASA正在全面开展阿耳忒弥斯（ARTEMIS）登月计划开发新一代重型运载火箭和猎户座飞船，计划在2024年实现多次往返月球南极的载人登月活动。届时，宇航员将依靠月球GNSS导航技术驾驶月球车在艾特肯盆地巡逻勘察。

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