劉基余

（武漢大學測繪學院，武漢 430079）

導航講座

衛(wèi)星激光測距用于GNSS星歷精化的現(xiàn)況與發(fā)展──GNSS導航信號的收發(fā)問題之九

劉基余

（武漢大學測繪學院，武漢 430079）

衛(wèi)星激光測距是校驗導航衛(wèi)星微波定軌的最佳外部基準，而被現(xiàn)行的GLONASS、北斗、Galileo、QZSS和IRNSS導航衛(wèi)星所應用。本文綜述了衛(wèi)星激光測距用于GNSS星歷精化的現(xiàn)況與發(fā)展，進而詳細論述了激光定軌解算方法，及其對GNSS星歷的精化。

衛(wèi)星激光測距；星載激光后向反射鏡陣列；GNSS星歷

導航衛(wèi)星在軌位置的誤差大小，直接影響運動載體7維狀態(tài)參數(shù)的測量精度；因此，如何精確測定導航衛(wèi)星的軌道參數(shù)，準確地預報導航衛(wèi)星的運行軌道，是實現(xiàn)高精度導航定位的關(guān)鍵問題。毫米級精度的衛(wèi)星激光測距成果，是校驗導航衛(wèi)星微波定軌的最佳外部基準，而能夠評定導航衛(wèi)星的星歷精度，監(jiān)測導航衛(wèi)星的星鐘運行優(yōu)劣，提供導航衛(wèi)星坐標系的大地測量基準，計算導航坐標系的精度因子；因此，被現(xiàn)代的導航衛(wèi)星廣為采用；現(xiàn)行的GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（區(qū)域性覆蓋星座）、Galileo全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、QZSS準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)和IRNSS印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，都給他們的在軌導航衛(wèi)星裝配了星載激光后向反射鏡陣列（Satellite-borne Laser Retroreflector Array），以便進行衛(wèi)星激光測距（SLR=Satellite Laser Ranging），實施導航衛(wèi)星的激光定軌；2019年將發(fā)射的GPS III衛(wèi)星也將步其后塵而行之。本文綜述了衛(wèi)星激光測距用于GNSS星歷精化的現(xiàn)況與發(fā)展。

1 GNSS星載激光角反射器的概況

星載激光后向反射鏡陣列（又稱為星載激光角反射器），是一種無電功率需求的衛(wèi)星有效載荷，它作為地面衛(wèi)星激光測距儀對該顆衛(wèi)星進行激光測距的合作目標（如圖1所示；該圖也說明了衛(wèi)星激光測距的基本原理），進而精確測定該顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)，為精化GNSS星歷提供基準數(shù)據(jù)，為對地觀測衛(wèi)星能夠準確地獲取災害、資源和全球變化等科學信息而提供數(shù)據(jù)處理基準。

1.1 GPS衛(wèi)星揭開了激光定軌的序幕

1989年8月21日至8月25日，在中國宇航學會于北京召開的首屆應用衛(wèi)星與衛(wèi)星應用研討會上，筆者在題為“國際導航衛(wèi)星近況與中國發(fā)展設(shè)想”大會報告中，首次提出了給所有導航衛(wèi)星裝配星載激光后向反射鏡陣列，以便激光定軌測量和地球動態(tài)效應參數(shù)測量的建議（詳見文獻[1]）。四年后，美國才進行相關(guān)試驗，而于1993年8月30日發(fā)射了一顆裝配了星載激光后向反射鏡陣列（又稱為星載激光反射器）的GPS衛(wèi)星，即GPS-35(PRN05)號衛(wèi)星（已于2009年4月撤離了服務）；1994年3月10日發(fā)射的另一顆裝配了星載激光反射器的GPS衛(wèi)星，即GPS-36(PRN06）號衛(wèi)星。GPS-35/36(PRN05/06)號兩顆衛(wèi)星，是在其發(fā)射天線陣列的邊緣，設(shè)置著由32塊角反射棱鏡組成的激光后向反射鏡陣列（如圖1所示）。美國的Haleakala、英國的Herstmonoceux和奧地利Graz三個SLR站自1993年至1995年對GPS-35/36號衛(wèi)星的激光測距結(jié)果表明，用GPS國際公用星歷IGS、美國國防制圖局星歷DMA和GPS廣播基準星歷OCS等三種星歷算得的站星距離與衛(wèi)星激光測距成果相比較，其較差分別為9.6cm/12.7cm，48.2cm/45.6cm，115.8cm/151.6cm，即，僅用5個跟蹤站算得的OCS星歷精度最低，用34個跟蹤站算得的IGS星歷精度最高。由此可見，為了獲得較高精度的導航衛(wèi)星廣播星歷，其地面觀測站宜于分布在全球東南西北地區(qū)，即，地面定軌觀測網(wǎng)的覆蓋面積越大，越有益于導航衛(wèi)星廣播星歷精度的提高。2006年5月22日至7月24日，ILRS觀測網(wǎng)對GPS-35/36兩顆衛(wèi)星的衛(wèi)星激光測距成果再次表明，上述結(jié)論的正確性。該次觀測成果是采用了如圖2所示的14個SLR觀測站（含中國長春站）；其結(jié)果表明，GPS-35衛(wèi)星的SLR定軌與IGS定軌相比較，徑向誤差為2.24cm，切向誤差為23.81cm，法向誤差為47.25cm；GPS-36衛(wèi)星的SLR定軌與IGS定軌相比較，徑向誤差為2.03cm，切向誤差為9.55cm，法向誤差為25.75cm。而IGS定軌是由如圖3所示的分布在全球的觀測站測定的。在GPS現(xiàn)代化的進程中，美國航空航天局（NASA）要求，給將于2019年始發(fā)的GPS III衛(wèi)星裝備星載激光后向反射鏡陣列，現(xiàn)已按照這個要求進行了相關(guān)研制；它由口徑為40mm的48塊角反射棱鏡構(gòu)成，其尺寸為10in×12in×2.5in。但是，現(xiàn)行的GPS衛(wèi)星都沒有裝備星載激光后向反射鏡陣列。

圖1 GPS-35/36衛(wèi)星激光后向反射鏡陣列和對它測距的衛(wèi)星激光測距儀原理框圖

圖2 2006年14個SLR觀測站分布圖

圖3 IGS全球觀測站分布圖

衛(wèi)星激光測距的第一步，是捕獲在視激光衛(wèi)星，進而跟蹤其運行，不斷測量地面觀測站至激光衛(wèi)星之間的距離。衛(wèi)星激光測距技術(shù)，是一種典型的主動式定位法——既發(fā)射測距信號，又接收從合作目標反射回來的該測距信號。從圖1可見，以電子計算機為主體的跟蹤控制系統(tǒng)，根據(jù)所輸入的待測衛(wèi)星方位角和出現(xiàn)時間之預報值，自動地照準所升起的該顆衛(wèi)星，同步地跟蹤該顆衛(wèi)星的運行。當儀器照準激光衛(wèi)星后，固體激光器（例如摻銣釔鋁石榴石─Nd:YAG激光器）便按預定指令發(fā)射激光脈沖，其極少能量為主波取樣電路（常用光電二極管）所截獲，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換而形成一個基準信號，稱之為主波；它啟開時間計數(shù)器，開始計數(shù)。激光器所輸出的絕大部分能量，通過曲折光路而射達位于跟蹤轉(zhuǎn)臺的發(fā)送光學系統(tǒng)，并由后者將激光脈沖射向激光衛(wèi)星。照射在星載激光反射器上的激光脈沖，沿著入射方向而反射回到位于地面測站上的衛(wèi)星激光測距儀，為其跟蹤轉(zhuǎn)臺上的接收光學系統(tǒng)所接收，并送到光電倍增管，后者將這個返回到儀器的激光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖，通常稱之為回波（被測信號）。它經(jīng)過回波放大器放大以后，被送到時間計數(shù)器，而中止計數(shù)。激光脈沖往返于地面測站和激光衛(wèi)星之間的傳播時間，等于主波啟開計數(shù)器和回波關(guān)閉計數(shù)器的時間之差，由此可算得儀器至激光衛(wèi)星的瞬時距離值，進而依據(jù)它和激光衛(wèi)星的在軌位置解算出測站的三維位置。其水平位置精度已達到±2cm，垂直分量精度已達到±1cm；而且定位精度還在進一步提高；反之，如果SLR觀測站的三維位置精確已知，依此和SLR觀測值，即可解算出激光衛(wèi)星的在軌位置，下文將作詳細論述。

1.2 GLONASS衛(wèi)星的激光定軌

自1995年12月由24顆衛(wèi)星構(gòu)成的GLONASS星座運行以來，GLONASS地面監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測站僅設(shè)置在前蘇聯(lián)境內(nèi)，以致GLONASS衛(wèi)星的廣播星歷精度較低，而依靠對GLONASS衛(wèi)星的衛(wèi)星激光測距成果精化GLONASS衛(wèi)星的星歷，它們所用的由112塊角反射棱鏡構(gòu)成的星載激光后向反射鏡陣列如圖4所示。

圖4 GLONASS星載激光后向反射鏡陣列

俄羅斯的衛(wèi)星激光跟蹤網(wǎng)由下列6個SLR觀測站構(gòu)成：Schelkovo，Altai，Komsomolsk，Archyz，Baikonour，Maidanak，它們的分布位置如圖5所示。各個SLR觀測站上所設(shè)置的衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)包括測距、測角和光度測量等三個子系統(tǒng)，圖6是衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)，它的發(fā)射物鏡孔徑直徑為350mm，接收物鏡孔徑直徑為600mm。而其測距子系統(tǒng)的測距精度為5mm～10mm，測角子系統(tǒng)的測角精度是1arcsec，光度測量子系統(tǒng)的測量精度為0.2個星等。

圖5 GLONASS衛(wèi)星的激光定軌觀測站分布

圖6 Altai觀測站上的SLR系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)

1998年10月19日～1999年4月19日，國際大地測量協(xié)會（IAG）、國際GPS服務中心（IGS）、美國導航研究所（ION）和國際地球自轉(zhuǎn)服務中心（IERS），共同組織了一次GLONASS/GPS國際大聯(lián)測，稱之為國際GLONASS試驗（IGEX-98）。該次大聯(lián)測，在俄羅斯、美國、法國和中國香港、中國臺灣等26個國家和地區(qū)布設(shè)了61個GLONASS觀測站；國際激光測距服務中心（ILRS）也參加了GLONASS/GPS國際大聯(lián)測，它組織了中國、美國、日本和澳大利亞等15個國家30臺衛(wèi)星激光測距儀，對9顆GLONASS導航激光衛(wèi)星進行了激光測距。美國得克薩斯大學等四個單位，還用對GLONASS衛(wèi)星的激光測距數(shù)據(jù)，獨立地計算了9顆GLONASS工作衛(wèi)星的精密星歷。其結(jié)果表明，用GLONASS微波測量數(shù)據(jù)所解算的GLONASS衛(wèi)星軌道（簡稱為微波軌道）與用衛(wèi)星激光測距數(shù)據(jù)所解算的GLONASS衛(wèi)星軌道（簡稱為激光軌道）之較差，其法向/切向較差均在1m左右，而徑向較差約為20cm。這說明，用GLONASS信號接收機測量數(shù)據(jù)解算的衛(wèi)星在軌位置，可以達到較高的實際精度。61個GLONASS觀測站測量數(shù)據(jù)的集成解算結(jié)果進一步說明，GLONASS衛(wèi)星的在軌位置達到了20～50cm的精度。由此看來，GLONASS測后星歷精度是較高的。

據(jù)http://www.ipa.nw.ru/conference/wpltm2012報道，俄羅斯聯(lián)邦計劃“GLONASS系統(tǒng)的維護、發(fā)展和應用”項目中擬定，將在2020年前建設(shè)一個名為“Laser GLONASS”系統(tǒng)，力圖以此實現(xiàn)超高精度的衛(wèi)星導航定位測量，達到厘米級精度的星歷播發(fā)和微微秒級精度的定時。它在GLONASS衛(wèi)星上，既安設(shè)星載激光角反射器，又設(shè)置星際激光導航鏈路（又稱為“星際激光導航和通信系統(tǒng)ISLNCS”，如圖7所示）。在傳統(tǒng)的衛(wèi)星激光測距（筆者稱之為GLONASS Laser）基礎(chǔ)上，增設(shè)了星載單程激光測距設(shè)備（如圖8所示）。

圖7 GLONASS-M星載激光角反射器和星際激光導航鏈路

圖8 用衛(wèi)星激光測距儀將時間傳遞到遠程地面控制站

1.3 Galileo衛(wèi)星的激光定軌

2005年12月28日和2008年4月27日，歐洲航天局分別成功地發(fā)射了帶激光后向反射鏡陣列的試驗衛(wèi)星GIOVE-A和GIOVE-B，它們的星載激光后向反射鏡陣列及其基本參數(shù)（如圖9和表1所示，未來的27顆Galileo工作衛(wèi)星均將裝備星載激光后向反射鏡陣列）。試驗衛(wèi)星目的在于：一是驗證星載銣鐘、導航信號發(fā)生器以及整個導航有效載荷設(shè)備鏈的有效性；二是驗證Galileo信號設(shè)計中創(chuàng)新設(shè)計的性能指標，其中包括驗證用戶接收機及其在真實靜態(tài)與動態(tài)條件下抗干擾和抗多路徑效應的能力，以便更好地評估這些接收機對導航業(yè)務和未來應用的影響；三是測量Galileo星座所處23 260km中圓軌道的輻射環(huán)境特性，了解這一特定軌道的輻射劑量和電磁場環(huán)境，對未來實用工作衛(wèi)星的研制非常重要。為了完成上述任務，歐洲航天局已在全球部署了由10個地面激光測距站和13個監(jiān)測站組成的GIOVE地面監(jiān)控系統(tǒng)，并在荷蘭Noordwi歐洲航天技術(shù)中心（ESTEC）建立了一個GIOVE信息處理中心，負責處理GIOVE-A/-B衛(wèi)星的試驗成果。

表1 Galileo星載激光后向反射鏡陣列的基本參數(shù)

圖9 Galileo星載激光后向反射鏡陣列及其在星位置

2006年5月22日至7月24日，國際激光測距服務中心（ILRS）采用如圖2所示的14個SLR觀測站分布的觀測網(wǎng)，不僅對GPS-35/36兩顆衛(wèi)星進行了衛(wèi)星激光測距，而且對GIOVE-A試驗衛(wèi)星也進行了衛(wèi)星激光測距。其成果表明，GIOVE-A試驗衛(wèi)星的10天軌道相對于30天軌道之較差是，徑向誤差為8.96cm，切向誤差為45.64cm，法向誤差為37.46cm。

1.4 北斗衛(wèi)星的激光定軌

2007年4月14日4時11分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功地發(fā)射了第一顆中軌工作衛(wèi)星（北斗-M1），它也裝備了星載激光后向反射鏡陣列，它是一個31.6cm×28cm，重2.5kg的六角形陣列（如圖10所示），該陣列由42個角反射棱鏡組成，每個射棱鏡的口徑為33mm。次年，北斗-M1衛(wèi)星被列入國際衛(wèi)星激光測距服務組織（ILRS）的國際聯(lián)測衛(wèi)星系列之中，這是我國首顆加入國際衛(wèi)星激光測距聯(lián)測的衛(wèi)星。中國國家天文臺利用通過中阿合作設(shè)置在阿根廷圣胡安大學天文臺的60cm接收物鏡口徑的第三代高精度衛(wèi)星激光測距儀，自2008年12月開始觀測北斗-M1衛(wèi)星；此外，長春、上海、武漢和北京的SLR觀測站也觀測到了該衛(wèi)星。

圖10 北斗MEO衛(wèi)星和GEO/IGSO衛(wèi)星的星載激光后向反射鏡陣

北斗-GEO和IGSO衛(wèi)星所裝備的星載激光后向反射鏡陣列，與北斗-M1衛(wèi)星所裝備的六角形星載激光后向反射鏡陣列相似，僅其尺寸和重量不同，即前者是一個49cm×43cm，重5kg的六角形陣列，該陣列由90個角反射棱鏡組成，每個射棱鏡的口徑也是33mm。為了更好地觀測北斗-GEO和IGSO衛(wèi)星，上海天文臺還于2008年在北京建設(shè)了一個新的SLR觀測站，該站上的衛(wèi)星激光測距儀采用了0.21m發(fā)射物鏡孔徑和1m接收物鏡孔徑，它的外型結(jié)構(gòu)如圖11的右邊中圖所示。自2009年9月9日以來，上海天文臺利用該臺衛(wèi)星激光測距儀晝夜都成功地觀測了北斗GEO/IGSO衛(wèi)星，提供了優(yōu)良的SLR定軌數(shù)據(jù)。圖11中間上圖所示的云南天文臺1.2m望遠鏡，是目前國內(nèi)孔徑最大的地平式天文光學望遠鏡，經(jīng)過一定的改進，具有月球激光測距能力。圖11右邊下圖所示的地處南美洲的中阿站，是中國科學院國家天文臺與阿根廷國立圣胡安大學Felix Aguilar天文臺于2005年建立的中阿合作SLR觀測站；該衛(wèi)星激光測距儀的接收望遠鏡孔徑為600mm，發(fā)射望遠鏡孔徑為160mm，采用了被動鎖模倍頻Nd:YAG激光器，可輸出波長為532nm的綠色激光，它的脈沖寬度為30ps，脈沖重復頻率為10Hz，而具有優(yōu)良的激光測衛(wèi)能力。

圖11 中國的SLR觀測站及其儀器

圖11中下圖所示的流動站，是武漢地震研究所于2010年研制成功的TROS-1000流動式衛(wèi)星激光測距儀（簡稱為SLR流動站），該流動站采用1m孔徑的接收物鏡，1000Hz的激光脈沖發(fā)射頻率，能夠?qū)h達36 000km的GEO衛(wèi)星實施激光測距，而且具有白天的激光測距能力。自2010年以來，先后在湖北和山東等省對北斗MEO，GEO，IGSO衛(wèi)星等多種激光衛(wèi)星進行了晝夜激光測距，達到了±1cm左右的平均點精度。這為北斗衛(wèi)星的精密定軌提供了有力支撐。

1.5 QZSS衛(wèi)星的激光定軌

日本耗資22億美元建設(shè)的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS），是由3顆運行在3個不同的傾斜地球同步軌道（IGSO）的導航衛(wèi)星組成的。該系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星在日本上空工作8小時，3顆 QZSS衛(wèi)星輪換出現(xiàn)在日本上空，從而保證總有一顆QZSS衛(wèi)星在日本的“天頂”上運行。2010年9月11日，日本發(fā)射了首顆導航衛(wèi)星“準天頂”衛(wèi)星一號，稱之為“指路號”（MICHIBIKI）衛(wèi)星；其近地點是32 000km，遠地點為40 000km，軌道傾角為45o，偏心率是0.099，衛(wèi)星的設(shè)計壽命為12年?！爸嘎诽枴毙l(wèi)星除了裝備了衛(wèi)星導航設(shè)備外，還裝備了下列附加設(shè)備（如圖12示）：由56塊角反射棱鏡構(gòu)成的星載激光角反射器；衛(wèi)星時間和頻率雙向傳輸（TWSTFT）設(shè)備；星載L1增強信號發(fā)送設(shè)備；星載監(jiān)控相機，能夠為用戶提供影像等項服務（現(xiàn)已拍攝到了地球的清晰照片）。

圖12 QZSS衛(wèi)星及其星載激光角反射器

1.6 IRNSS衛(wèi)星的激光定軌

印度政府于2006年5月9日正式批準建設(shè)的印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS），將由7顆衛(wèi)星（3顆靜地衛(wèi)星（GEO）＋4顆大橢圓軌道衛(wèi)星（GSO））及其地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶接收機組成。3顆靜地衛(wèi)星分別定點在東經(jīng)34o，東經(jīng)83o和東經(jīng)131.5o上空；4顆GSO衛(wèi)星分別在兩個軌道上運行，其遠地點為24 000km，近地點為250km，軌道傾角為29o。估計研發(fā)、制造和發(fā)射7顆衛(wèi)星的投資需要3.5億美元（160億盧比）。印度聲稱，該系統(tǒng)將完全由印度控制，所有IRNSS星座、地面控制系統(tǒng)和用戶接收機的研制和生產(chǎn)都由印度自主完成，這項工程的實施預計將會給印度航天部門和工商企業(yè)帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)和商機。印度已于2013年7月1日成功地發(fā)射了首顆導航衛(wèi)星IRNSS-1A（其余衛(wèi)星分別命名為IRNSS-1B,-1C,-1D,-1E,-1F,-1G）；這些衛(wèi)星的設(shè)計壽命為10年～12年。IRNSS-1A衛(wèi)星裝備了兩個有效載荷——導航有效載荷和測距有效載荷（兩者分別產(chǎn)生GPS L5波段（1176.45MHz，帶寬為24MHz）和S波段（2492.028MHz，帶寬為16.5MHz）的導航信號），以及三個高精度銣原子鐘和用于衛(wèi)星激光測距的星載激光角反射器。有效載荷的設(shè)計，考慮到了與GPS和Galileo系統(tǒng)的互操作性和兼容性。在第一顆衛(wèi)星成功入軌運行后，計劃每隔幾個月依次發(fā)射其余6顆導航衛(wèi)星，2014年4月23日發(fā)射了第二顆衛(wèi)星（IRNSS-1B）；爭取在2016年年底前完成由7顆衛(wèi)星組成的IRNSS星座的部署（如圖13A所示）。它們所用的星載激光角反射器如圖13B所示，并附有星激光測距站對IRNSS衛(wèi)星測距的簡略示意圖。

圖13 IRNSS星座及衛(wèi)星測距示意圖

2 星載激光測距的定軌算法

衛(wèi)星激光測距精化GNSS星歷，關(guān)鍵在于精確地解算出所測衛(wèi)星的在軌位置。此處論述它的實用算法，為方便論述，而將載有激光角反射器的GNSS衛(wèi)星，稱之為導航激光衛(wèi)星。

圖14 衛(wèi)星激光測距儀所測的站星距離與地心距的關(guān)系

若在地球表面上的P1和P2測站上各設(shè)一臺衛(wèi)星激光測距儀，它們在赤道坐標系中的站坐標分別為X1Y1Z1和X2Y2Z2。導航激光衛(wèi)星S在相同坐標系內(nèi)的實時點位坐標為XSYSZS（如圖14所示），則知導航激光衛(wèi)星S在時元t的點位坐標是：

式中，r(t)為導航激光衛(wèi)星S在時元t的地心距；為衛(wèi)星軌道的升交點赤徑；I為衛(wèi)星軌道的傾角；為導航激光衛(wèi)星的近地點角距；F為導航激光衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的真近點角。（以上各參數(shù)的意義，請見筆者文章“導航衛(wèi)星的正常軌道及其描述──GNSS衛(wèi)星的運行軌道之一”，2013年第2期《數(shù)字通信世界》P.49～55）。

地面衛(wèi)星激光測距站的站坐標為：

式中，R是第i個SLR測站的地心距；λiφi為第i個SLR測站的地心經(jīng)緯度；地方恒星時Si=S0+λi，此處S0為格林尼治恒星時。

第i個SLR測站在時元t測得至導航激光衛(wèi)星S的站星距離ρim(t)，其觀測誤差為Vi，而該測站在時元t至導航激光衛(wèi)星S的真實距離ρi(t)。因此，衛(wèi)星激光測距的誤差方程是：

為了書寫方便，下列論述中，忽略下標i和時間變量t，而以λφR和6個軌道參數(shù)為變量，按臺勞公式展開上式中的第一項，取其一階項而得：

式中，a為衛(wèi)星軌道的長半軸；e是衛(wèi)星軌道的偏心率；M0為導航激光衛(wèi)星在時元t0的平近點角。采用從它處獲取的λφR和?ωfaeM0近似值，作為它們的初始值而按下式計算出站星距離，并將它記作ρc

式中，XS0YS0ZS0是用6個軌道參數(shù)算得的導航激光衛(wèi)星在軌點位坐標，或者采用其他途徑取得的測量成果；X0Y0Z0為由λφR初始值算得的SLR測站坐標，也可用GPS衛(wèi)星定位網(wǎng)測定的該測站坐標。

現(xiàn)在導出式（4）中的各個偏導數(shù)，考慮到站星距離

依據(jù)式（7）～（20），求得誤差方程式（7）的各個偏導數(shù)，且分別以下述符號示之：

對于一系列的衛(wèi)星激光測距觀測值ρm，則可得到一系列的如式（22）所示的誤差方程式，進而列立出下列相應的法方程式：

采用導航激光衛(wèi)星軌道參數(shù)的初始值或其在軌點位坐標，以及SLR測站坐標與衛(wèi)星激光測距的觀測成果，可按式（16）和式（21）計算出誤差方程式的各個系數(shù)，進而按式（23）解算出?λ，?Φ，?R，?a，?e，?i，??，?ω，?M0各個修正量，而求得

以上列各值作為新的初始值，按式（22）重新計算出誤差方程式的各個系數(shù)，進而作迭代計算，直至各個修正量收斂為止。依此便能夠求得導航激光衛(wèi)星的6個軌道參數(shù)，進而實施對GNSS星歷的精化；在實際應用中，并非上述論述中的兩個衛(wèi)星激光觀測站，而是衛(wèi)星激光觀測網(wǎng)中的多個衛(wèi)星激光觀測站對同一顆導航激光衛(wèi)星進行激光測距，因此，能夠求解出更高精度的6個軌道參數(shù)，達到精化GNSS星歷的目的。

3 結(jié)束語

現(xiàn)行的GLONASS、北斗、伽利略、QZSS和IRNSS導航衛(wèi)星，都裝備了星載激光角反射器，而能夠由地面衛(wèi)星激光測距觀測網(wǎng)對它們進行激光測距，進而按照相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件解算激光測距成果，求得高精度的導航激光衛(wèi)星在軌參數(shù)，達到精化GNSS星歷的目的。此外，2020年左右，GLONASS系統(tǒng)，將從現(xiàn)行的GLONASS Laser發(fā)展成為Laser GLONASS，GPS III衛(wèi)星也將裝備星載激光角反射器，實施星載激光定軌測量。

近年來，國際GNSS服務局（IGS）組建了一個MGEX（Multi-GNSS Experiment）觀測網(wǎng)（如圖15所示），它能夠為北斗、Galileo和QZSS衛(wèi)星提供導航信號驗證等多項服務。例如，它給出了2013年春季對北斗IGSO-5和MEO-3兩顆衛(wèi)星所進行的衛(wèi)星激光測距殘差圖（如圖16所示），以及2012年夏季開始對4顆Galileo IOV衛(wèi)星所進行的衛(wèi)星激光測距殘差圖（如圖17所示）。用衛(wèi)星激光測距成果的解算所得的北斗衛(wèi)星徑向位置精度（RMS）為±0.5m～0.7m，這為我們利用衛(wèi)星激光測距成果精化兩者的星歷，提供了全球數(shù)據(jù)參考。

圖15 國際GNSS服務局（IGS）的MGEX觀測網(wǎng)

圖16 北斗IGSO-5和MEO-3兩顆衛(wèi)星的衛(wèi)星激光測距殘差圖

圖17 四顆Galileo IOV衛(wèi)星的衛(wèi)星激光測距殘差圖

[1] 劉基余．國際導航衛(wèi)星近況與中國發(fā)展設(shè)想．中國航天發(fā)展戰(zhàn)略探討．見：中國宇航學會編．應用衛(wèi)星與衛(wèi)星應用研討會文集．北京：宇航出版社，1991年11月，P.294～321

[2] 劉基余．GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法（第二版）．北京：科學出版社，2008年6月

[3] V. Burmistrov, et al, RUSSIAN LASER TRACKING NETWORK XV International Laser Ranging Workshop Canberra, 2006

[4] Yang Fumin, et al, SLR Observations of Compass-G2, Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, 2009

[5] O. Montenbruck, P. Steigenberger, G. Kirchner, GNSS Satellite Orbit Validation Using Satellite Laser Ranging, http://www.iapg.bv.tun.de/mediadb, 2013.11.25

北斗全球系統(tǒng)全面推進，關(guān)鍵技術(shù)取得重要成果

由中國衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)協(xié)會主辦的中國衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)論壇，11月27～28日在上海舉行。來自政府有關(guān)部門、企事業(yè)單位和業(yè)界的專家齊聚一堂，共謀衛(wèi)星應用發(fā)展藍圖。中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任冉承其出席論壇并發(fā)表講話，全面介紹我國北斗衛(wèi)星導航全球系統(tǒng)的建設(shè)進展：北斗系統(tǒng)有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)已經(jīng)取得重要突破，北斗核心芯片已實現(xiàn)自主可控，北斗地基增強系統(tǒng)將實現(xiàn)米級、厘米級乃至毫米級的高精度服務。北斗系統(tǒng)正式取得國際海事應用的合法地位，成為繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后，第三個被國際海事組織認可的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

冉承其表示，北斗地基增強系統(tǒng)既是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要組成部分，也是國家衛(wèi)星高精度導航的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在國家有關(guān)行業(yè)主管部門和地方的聯(lián)合組織下，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、共建共享”的原則，將對國內(nèi)現(xiàn)有基準站進行升級改造，構(gòu)建全國一張網(wǎng)。通過對北斗衛(wèi)星導航信號傳輸誤差進行差分修正，實現(xiàn)北斗米級、厘米級乃至毫米級的高精度定位服務。目前這一工程建設(shè)工作已全面啟動，2015年底有望提供基本服務。此外，北斗星基的廣域增強系統(tǒng)論證工作也在積極推進，將與地基增強系統(tǒng)相互補充，實現(xiàn)天地統(tǒng)籌，諧調(diào)共進。

The Current Status and Development on Refning GNSS Ephemeris by Means of Satellite Laser Ranging --Transmitting/receiving Issue(9) of GNSS Navigation Signals

Liu Jiyu
(School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan, 430079)

Satellite laser ranging is the best external calibration for the microwave orbit determinations of the navigation satellites. Therefore it is used by the existing GLONASS, BeiDou, Galileo, QZSS and IRNSS satellites. This paper summarizes the current status and development on refning GNSS ephemeris by means of satellite Laser ranging, and discusses in detail the resolving method for Laser orbit determinations and it refnes GNSS ephemeris.

Satellite Laser ranging; Satellite-borne Laser retrorefector array; GNSS ephemeris

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.12.001

TN96

A

1672-7274（2014）12-0001-11

劉基余，現(xiàn)任武漢大學測繪學院教授/博士生導師，兼任美國紐約科學院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中國電子學會會士。主要研究方向是GNSS衛(wèi)星導航定位/衛(wèi)星激光測距技術(shù)，在國內(nèi)外30余種中英文學術(shù)期刊上發(fā)表了280余篇相關(guān)研究論文，獨著了（北京）科學出版社于2013年1月出版發(fā)行的《GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法》一書。他的主要業(yè)績已分別載于美國于2001年出版發(fā)行的《世界名人錄》（Who's Who in the World）、美國于2005年出版發(fā)行的《科技名人錄》（Who's Who in Science and Engineering）和中國科學技術(shù)協(xié)會于2007年出版發(fā)行的《中國科學技術(shù)專家傳略》工程技術(shù)編《電子信息科學技術(shù)卷2》等五十多種國內(nèi)外辭書上。