王洪鋒 李強(qiáng) 羌勝莉

（北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094）

中繼衛(wèi)星支持航天器實(shí)時(shí)精密定軌技術(shù)研究

王洪鋒 李強(qiáng) 羌勝莉

（北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094）

通過(guò)分析美國(guó)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)，結(jié)合我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)得到對(duì)我國(guó)發(fā)展數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)低軌道航天器實(shí)時(shí)精密定軌的幾點(diǎn)啟示：加快建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球增強(qiáng)系統(tǒng)；通過(guò)冗余提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性；增加我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星支持廣播的能力；建立我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)；增加多系統(tǒng)聯(lián)合定位技術(shù)支持；與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)D2導(dǎo)航電文配合使用；進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)試驗(yàn)以積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；低軌道航天器；數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星；全球定位系統(tǒng)；定軌

1 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的天基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)［1］。差分增強(qiáng)技術(shù)作為GNSS本身的補(bǔ)充與改進(jìn)措施，能夠有效提高系統(tǒng)服務(wù)的精度、可用性、連續(xù)性和完好性指標(biāo)，一直是GNSS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［2］。大部分增強(qiáng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：地面數(shù)據(jù)中心利用分布在全球或區(qū)域內(nèi)的基準(zhǔn)站，對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)并計(jì)算獲得衛(wèi)星軌道參數(shù)改正數(shù)、衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)和廣域電離層延遲改正數(shù)等，通過(guò)上行鏈路發(fā)送至衛(wèi)星或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行廣播。用戶在收到改正數(shù)后，對(duì)所得到的觀測(cè)量進(jìn)行修正，最后計(jì)算出自身位置，精度可以達(dá)到1m甚至分米級(jí)。地球表面用戶借助于GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)可以獲得高精度定位數(shù)據(jù)。

目前，GNSS已經(jīng)在低軌道航天器測(cè)軌、定軌方面取得廣泛應(yīng)用。對(duì)于諸多低軌道航天器獲得實(shí)時(shí)精確的軌道和速度信息對(duì)其完成任務(wù)具有重要意義。低軌道航天器對(duì)軌道精度的要求從幾米至幾厘米，因任務(wù)不同而不同［3］。然而，低軌道航天器搭載的GNSS接收機(jī)由于受各種誤差影響，定軌精度有限，不能滿足很多任務(wù)要求。低軌道航天器不斷繞地球運(yùn)行，如何讓低軌道航天器借助于GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)獲得高精度的軌道位置，是擺在我們面前的重要課題。美國(guó)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)（TDRSS Augmentation Service for Satellites，TASS）借助于跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）的高覆蓋率特性來(lái)解決這一難題。目前中國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（China Data and Relay Satellite System，CDRSS）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Bei Dou Navigation Satellite System，BDS）正在不斷建設(shè)和發(fā)展，本文通過(guò)對(duì)TASS的研究，結(jié)合CDRSS和BDS發(fā)展現(xiàn)狀，為我國(guó)發(fā)展數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)（CDRSS Augmentation Service for Satellites，CASS）提出幾點(diǎn)啟示。

2 美國(guó)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)

美國(guó)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)是通過(guò)TDRSS為低軌道航天器提供全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）差分校正數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)來(lái)幫助低軌道航天器實(shí)時(shí)獲得分米級(jí)的精確軌道信息和納秒級(jí)的時(shí)間信息［4］。GPS差分校正數(shù)據(jù)包括GPS衛(wèi)星軌道校正數(shù)據(jù)、GPS衛(wèi)星時(shí)鐘校正數(shù)據(jù)和GPS完好性狀態(tài)等，輔助數(shù)據(jù)包括地球定向參數(shù)和太陽(yáng)輻射通量信息等。跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（Tracking and Data Relay Satellite，TDRS）通過(guò)S頻段前向多址信道廣播GPS差分校正數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)［3－4］。TASS系統(tǒng)框圖如圖1所示。

全球差分GPS（The Global Differential GPS，GDGPS）系統(tǒng)是諸多差分增強(qiáng)系統(tǒng)的一種，它利用分布在全球數(shù)百個(gè)參考站上的雙頻接收機(jī)實(shí)時(shí)獲得GPS衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)，這些測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或者專(zhuān)用線路實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)交換設(shè)備，數(shù)據(jù)交換設(shè)備通過(guò)專(zhuān)用線路將測(cè)量數(shù)據(jù)送至操作中心，操作中心通過(guò)RTG（Real－Time GIPSY，RTG）軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，獲得GPS衛(wèi)星軌道校正數(shù)、時(shí)鐘校正數(shù)和GPS完好性狀態(tài)等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)連同其他輔助數(shù)據(jù)以1Hz的頻率通過(guò)專(zhuān)用線路傳送至TDRS地面站TASS計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)TASS發(fā)射機(jī)編碼、調(diào)制等處理后通過(guò)TDRS地面站天線發(fā)送至TDRS，TDRS將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至低軌道航天器，低軌道航天器通過(guò)TDRS接收機(jī)接收這些校正數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，并聯(lián)合自身GPS接收機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RTG軟件實(shí)時(shí)計(jì)算自身軌道位置［4］。

為了提高系統(tǒng)可靠性，GDGPS系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)交換設(shè)備、操作中心等均為兩套且分布在不同的地理位置。傳輸線路也有多種選擇來(lái)避免單點(diǎn)失效。全球分布的數(shù)百個(gè)參考站保證了同時(shí)至少有9個(gè)參考站觀測(cè)同一顆GPS衛(wèi)星，這樣即使有一個(gè)參考站工作失效也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這些參考站一方面測(cè)量獲得GPS衛(wèi)星軌道、時(shí)鐘等原始數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)GPS完好性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)倍的冗余保證了系統(tǒng)99．999%的可靠性［3－4］。

通常3個(gè)TDRS就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低軌道航天器全天候的全球覆蓋。通過(guò)配置TDRS相控陣天線可以形成一個(gè)前向?qū)挷ㄊ鴣?lái)廣播GPS衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘差分校正數(shù)據(jù)及其他輔助數(shù)據(jù)，而配置構(gòu)成前向波束的相控陣天線單元的數(shù)目和相位差則可控制前向波束寬度和EIRP值，以滿足低軌道航天器TDRS中繼接收機(jī)的需求。TASS規(guī)定了廣播數(shù)據(jù)包組成和包格式、數(shù)據(jù)速率和調(diào)制編碼方式等。TASS端到端的延遲大約為5s，其中包括3～4s的差分校正數(shù)據(jù)處理時(shí)間和1～2s的傳輸時(shí)延。通過(guò)TASS，搭載雙頻GPS接收機(jī)的低軌道航天器的實(shí)時(shí)定軌精度從1～5m提高至0．1～0．3m，時(shí)間精度由10ns量級(jí)提高至1ns量級(jí)，并且廣播數(shù)據(jù)包含了GPS完好性狀態(tài)信息［4］。

3 我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是轉(zhuǎn)發(fā)地球站對(duì)中、低軌道航天器的跟蹤、遙控信息和轉(zhuǎn)發(fā)航天器發(fā)回地球站的數(shù)據(jù)的通信衛(wèi)星。數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星一般位于地球靜止軌道（GEO），它有利的幾何位置，能有效克服由于地球曲率和無(wú)線電波直線傳播特性帶來(lái)的負(fù)面影響，從而解決了測(cè)控、數(shù)傳的軌道覆蓋率和實(shí)時(shí)傳輸信息問(wèn)題，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，我國(guó)已經(jīng)掌握了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并成功發(fā)射了3顆天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。目前，天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)形成了包括東、中、西三星組網(wǎng)的準(zhǔn)全球覆蓋中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。天鏈一號(hào)衛(wèi)星星間通信鏈路使用單副S/Ka頻段雙饋源拋物面天線，測(cè)控信號(hào)使用S頻段單址鏈路中繼信號(hào)，星地高速通信使用Ka頻段天線，衛(wèi)星大型拋物面天線指向、捕獲和跟蹤使用星載閉環(huán)捕獲跟蹤技術(shù)。該系統(tǒng)可以為中國(guó)多種對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，為中低軌衛(wèi)星、航天器發(fā)射等提供測(cè)控中繼服務(wù)，為特殊用途的飛機(jī)和其他飛行器等非航天用戶提供測(cè)控和高速率數(shù)據(jù)中繼服務(wù)［5］。中繼衛(wèi)星在為用戶目標(biāo)提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的過(guò)程中，可以利用前向傳輸信道為用戶目標(biāo)提供GNSS差分校正數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)，用戶目標(biāo)利用這些數(shù)據(jù)結(jié)合自身GNSS接收機(jī)測(cè)量值計(jì)算出高精度的位置信息。高精度軌道的確定是執(zhí)行空間任務(wù)的有效保證，是實(shí)現(xiàn)高精度軌道控制的前提和基礎(chǔ)。

4 我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位與通信系統(tǒng)，空間部分采用地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道以及中軌衛(wèi)星的混合星座設(shè)計(jì)模式［1］。2012年10月，第16顆北斗衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的區(qū)域組網(wǎng)工作已順利完成，初步建成覆蓋國(guó)內(nèi)及亞太地區(qū)的區(qū)域性無(wú)源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2016年2月，第21顆北斗衛(wèi)星發(fā)射成功，標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)向全球組網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)邁出了堅(jiān)實(shí)一步，現(xiàn)在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國(guó)的定位精度已達(dá)到5m左右［2，6］。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，包括開(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式。開(kāi)放服務(wù)是向全球免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度10m，測(cè)速精度0．2m/s，授時(shí)精度10ns。授權(quán)服務(wù)是為全球用戶提供更高性能的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，以及為亞太地區(qū)提供廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù)，其廣域差分定位精度為1m［6－7］。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位是利用一組導(dǎo)航衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間等測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于用戶鐘差未知，因此，要獲得用戶的三維坐標(biāo)，必須對(duì)4顆及以上衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量。在這一定位過(guò)程中，存在著三部分誤差：第一部分是與衛(wèi)星有關(guān)的誤差，包括衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差等；第二部分為傳播路徑誤差，包括電離層誤差、對(duì)流層誤差、多徑效應(yīng)等；第三部分為用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、接收天線相位中心誤差等。上述誤差按誤差性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類(lèi)，其中衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差等屬于系統(tǒng)誤差，用戶接收機(jī)誤差等屬于隨機(jī)誤差。無(wú)論從誤差的大小還是從對(duì)定位結(jié)果的影響來(lái)看，系統(tǒng)誤差都比隨機(jī)誤差大很多，系統(tǒng)誤差可以通過(guò)差分技術(shù)加以消除或削弱［8］。在衛(wèi)星數(shù)有限的條件下，獲取導(dǎo)航衛(wèi)星的差分（軌道、鐘差）改正數(shù)和電離層改正數(shù)是提升定位精度的關(guān)鍵［2］。

差分改正數(shù)的獲取須要借助于局域差分系統(tǒng)或者廣域差分系統(tǒng)。目前，我國(guó)已經(jīng)就差分技術(shù)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，例如“廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)”已通過(guò)驗(yàn)收，該系統(tǒng)以廣域差分和精密單點(diǎn)定位技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用我國(guó)現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航地面基準(zhǔn)站資源，集成先進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星通信等技術(shù)，建成了我國(guó)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)示范系統(tǒng)，即BDS增強(qiáng)示范系統(tǒng)。該系統(tǒng)使得我國(guó)廣域用戶的定位精度從米級(jí)提升到分米級(jí)乃至厘米級(jí)［8－9］。文獻(xiàn)［10］對(duì)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能進(jìn)行初步評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果表明：北斗偽距單點(diǎn)定位平面精度優(yōu)于6m，高程精度優(yōu)于10m，三維精度優(yōu)于12m；北斗單頻偽距差分平面精度優(yōu)于1．5m，高程精度優(yōu)于2m，三維精度優(yōu)于2．5m［10］。文獻(xiàn)［11］對(duì)北斗系統(tǒng)廣域差分性能進(jìn)行了評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果表明：北斗系統(tǒng)提供的廣域差分服務(wù)進(jìn)一步提升了系統(tǒng)服務(wù)性能，北京地區(qū)測(cè)試評(píng)估結(jié)果顯示，單頻差分服務(wù)精度優(yōu)于5m，比普通單點(diǎn)定位精度提升了近30%；雙頻差分服務(wù)精度優(yōu)于3m，比普通雙頻定位精度提升了近40%［11］。差分校正數(shù)據(jù)須要通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)傳輸給用戶導(dǎo)航定位接收機(jī)，對(duì)于低軌衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，可以借助于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星來(lái)實(shí)時(shí)得到差分校正數(shù)據(jù)，提高自身定位精度。

5 我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)的幾點(diǎn)思考

衛(wèi)星軌道信息是衛(wèi)星應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，衛(wèi)星的定軌精度取決于測(cè)軌技術(shù)和定軌方法兩個(gè)方面，其中測(cè)軌技術(shù)起決定性作用。目前常用的測(cè)軌技術(shù)主要有衛(wèi)星激光測(cè)距（Satellite Laser Ranging，SLR）、多普勒測(cè)速（Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite，DORIS）、精密測(cè)距測(cè)速（Precise Range and Range－rate Equipment，PRARE）和全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)。與SLR、DORIS和PRARE相比，GPS由于其成本低、設(shè)備輕便，又有全天候、高精度、連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)而成為低軌道航天器的主要測(cè)軌手段［12］。傳統(tǒng)的GPS定軌方法是根據(jù)星載GPS接收機(jī)獲取的偽距和載波相位等單點(diǎn)測(cè)量值，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型，利用卡爾曼濾波獲取衛(wèi)星的定軌信息，這種方法可達(dá)到的定軌精度約為10m，利用文獻(xiàn)［13］中方法，定軌精度可以提高至3m，基本滿足高分辨率低軌遙感衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星定軌能力的需求［13］。文獻(xiàn)［14］利用星載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋2A衛(wèi)星快速精密定軌，可以確定徑向厘米級(jí)精度的快速軌道，但該精密定軌技術(shù)為事后定軌，需要精密星歷支持，并且定軌延遲至少為6h［14］。通過(guò)TASS，低軌航天器可以獲得分米級(jí)的定軌精度和納秒級(jí)的時(shí)間信息［4］，并且定軌延遲小于10h。目前，CDRSS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)全球覆蓋，BDS實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)及亞太地區(qū)覆蓋，從GPS在國(guó)外低軌道航天器高精度跟蹤測(cè)量方面的廣泛應(yīng)用來(lái)看［12，15］，我國(guó)低軌道航天器搭載BDS終端，發(fā)展CASS也將成為必然趨勢(shì)。結(jié)合前面對(duì)美國(guó)TASS的分析，我國(guó)發(fā)展CASS須要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

1）加快建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全球差分增強(qiáng)系統(tǒng)

星載GPS接收機(jī)定位精度主要影響因素為GPS衛(wèi)星軌道誤差、GPS衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、電離層延遲誤差等，這三項(xiàng)誤差均可以通過(guò)構(gòu)建GDGPS系統(tǒng)來(lái)獲得。BDS定位原理與GPS基本一致，這三項(xiàng)誤差同樣影響我國(guó)星載BDS接收機(jī)定位精度，提高星載BDS接收機(jī)定位精度須要構(gòu)建BDS全球增強(qiáng)系統(tǒng)。目前，我國(guó)已經(jīng)完成基于BDS的廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)，在這方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。BDS全球差分增強(qiáng)系統(tǒng)（Global Differential BDS，GDBDS）由于在國(guó)外參考站建站限制等原因尚未進(jìn)行建設(shè)。通過(guò)加快建設(shè)GDBDS或區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)來(lái)提高BDS廣域用戶定位精度有利于扭轉(zhuǎn)BDS起步較晚這一不利情況。在構(gòu)建GDBDS的過(guò)程中，可以參考GDGPS系統(tǒng)架構(gòu)并結(jié)合BDS特點(diǎn)加以改進(jìn)。

2）通過(guò)冗余提高GDBDS可靠性

美國(guó)GDGPS系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用了數(shù)倍的冗余來(lái)保證GDGPS系統(tǒng)99．999%的可靠性。同樣，在構(gòu)建GDBDS的過(guò)程中，需要考慮數(shù)據(jù)處理中心、傳輸線路、參考站等節(jié)點(diǎn)地理位置和數(shù)量上的冗余來(lái)提高系統(tǒng)可靠性，尤其要保證參考站的數(shù)倍冗余來(lái)對(duì)BDS完好性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，采用數(shù)據(jù)加密等方式來(lái)提高系統(tǒng)的安全性。

3）增加CDRS支持廣播的能力

美國(guó)TASS利用3顆TDRS實(shí)現(xiàn)對(duì)地球0～1000km高度軌道的全覆蓋，每顆TDRS使用自身S頻段相控陣天線的三個(gè)陣元形成一個(gè)寬度為18°～20°的廣播波束，24h不間斷地向地面廣播GPS校正數(shù)據(jù)［4］。該波束中心有效全向輻射功率（EIRP）為28dBW，±10°處EIRP為22dBW，假設(shè)低軌道航天器TASS接收機(jī)天線增益為－5dBi，則鏈路預(yù)算如表1所示，可以滿足TASS接收機(jī)30dB/Hz的信噪比要求［3－4］。我國(guó)天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星雖然可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)全球覆蓋，但不具備廣播能力。相控陣多址天線通過(guò)配置可以形成多個(gè)前向波束，并且波束寬度可調(diào)整，各波束互不影響。由國(guó)外TDRS的發(fā)展現(xiàn)狀可知：搭載S頻段相控陣多址天線以便同時(shí)支持多個(gè)用戶將是CDRS發(fā)展的必然趨勢(shì)。這也滿足我國(guó)CASS對(duì)CDRS的要求。

表1 TASS鏈路預(yù)算Table 1 TASS link budget

4）建立我國(guó)CASS標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)TASS廣播數(shù)據(jù)內(nèi)容、更新頻率和精度如表2所示［3］。廣播數(shù)據(jù)的一種幀結(jié)構(gòu)如表3所示，其幀長(zhǎng)為256bit，包含GPS衛(wèi)星軌道校正值、時(shí)鐘校正值、衛(wèi)星完好性信息等。TASS廣播信息速率為256bit/s，編碼方式采用1/2卷積編碼，采用2．5MHz的擴(kuò)頻碼對(duì)BPSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，并且每顆TDRS使用不同的擴(kuò)頻碼序列，TASS接收機(jī)采用兩種類(lèi)型：一種將GPS/TDRS接收機(jī)集成在一起，另一種將GPS、TDRS接收機(jī)相獨(dú)立［4］。CASS包括CDRSS、GDBDS、星載CDRS接收機(jī)和BDS接收機(jī)等部分，整個(gè)系統(tǒng)異常復(fù)雜。GDBDS數(shù)據(jù)傳輸格式、CDRS廣播數(shù)據(jù)內(nèi)容及傳輸速率、CDRS廣播波束寬度和EIRP值、星載CDRS接收機(jī)等均須要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)約定。目前，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用政策和標(biāo)準(zhǔn)還不夠健全，這會(huì)影響用戶的拓展［1］。只有提前建立我國(guó)CASS的標(biāo)準(zhǔn)，才能為我國(guó)CASS的順利實(shí)現(xiàn)和用戶拓展奠定基礎(chǔ)。

表3 TASS廣播數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Table 3 Broadcast data frame format of America TASS

5）增加多系統(tǒng)聯(lián)合定位技術(shù)支持

目前，全球有美國(guó)GPS、俄羅斯Glonass、歐洲Galileo和中國(guó)BDS四大GNSS。估計(jì)到2020年前，這四大系統(tǒng)均將具備全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰?。在?fù)雜測(cè)量條件下，傳統(tǒng)單系統(tǒng)雙頻導(dǎo)航定位往往面臨可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)不足，定位精度和可靠性差等問(wèn)題。多系統(tǒng)聯(lián)合定位的實(shí)施將為用戶提供更多的備選組合測(cè)量值，增加可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)，增強(qiáng)衛(wèi)星幾何強(qiáng)度，減少或消除單系統(tǒng)導(dǎo)航定位產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，提高定位精度及可靠性［1］。例如：北斗/GPS組合載波相位差分動(dòng)態(tài)定位精度相對(duì)于單一的GPS定位的改善可達(dá)20%以上［10］；GPS＋BDS組合的實(shí)時(shí)定軌精度較單個(gè)GPS系統(tǒng)至少提高26%［16］。在建立我國(guó)CASS標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，增加多系統(tǒng)聯(lián)合定位技術(shù)支持，使星載GNSS接收機(jī)同時(shí)可以接收多個(gè)GNSS的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，星載CDRS接收機(jī)可以接收多個(gè)GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)的校正數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，具有兩方面好處：一方面利用多個(gè)GNSS導(dǎo)航數(shù)據(jù)聯(lián)合定位可以提高低軌道航天器的定位精度，另一方面可以提高低軌道航天器利用GNSS定位的可靠性。

6）CASS與BDS D2導(dǎo)航電文配合使用

BDS由5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、27顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO）衛(wèi)星組成［17］。MEO/IGSO衛(wèi)星在B1頻點(diǎn)I支路發(fā)播D1碼，D1導(dǎo)航電文速率為50bit/s，內(nèi)容包含基本導(dǎo)航信息（本衛(wèi)星基本導(dǎo)航信息、全部衛(wèi)星歷書(shū)信息、與其他系統(tǒng)時(shí)間同步信息）；GEO衛(wèi)星在B1頻點(diǎn)I支路發(fā)播D2碼，D2導(dǎo)航電文速率為500bit/s，內(nèi)容包含基本導(dǎo)航信息和增強(qiáng)服務(wù)信息（北斗系統(tǒng)的差分校正數(shù)據(jù)及完好性信息和格網(wǎng)點(diǎn)電離層信息）［17］。用戶可以通過(guò)接收D2導(dǎo)航電文上廣播的差分?jǐn)?shù)據(jù)等信息來(lái)提高自身定位精度。GEO衛(wèi)星分別定點(diǎn)于58．75°E、80°E、110．5°E、140°E和160°E，覆蓋全球超過(guò)50%以上的區(qū)域［18－19］。另外，對(duì)于采用多系統(tǒng)聯(lián)合定位技術(shù)的用戶，還須要通過(guò)其他途徑來(lái)獲得BDS以外的其他導(dǎo)航系統(tǒng)的校正數(shù)據(jù)。因此，基于CDRS轉(zhuǎn)發(fā)校正數(shù)據(jù)和通過(guò)接收D2導(dǎo)航電文獲得校正數(shù)據(jù)兩種方式可以配合使用，當(dāng)用戶僅使用BDS且位于BDS的GEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí)可以通過(guò)接收D2導(dǎo)航電文獲得校正數(shù)據(jù)來(lái)提高定位精度；當(dāng)用戶采用多系統(tǒng)聯(lián)合定位或位于BDS的GEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)域外時(shí)可以通過(guò)CASS來(lái)提高定位精度。

7）進(jìn)行CASS試驗(yàn)，積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)

美國(guó)最初通過(guò)在飛機(jī)上搭載TASS接收機(jī)來(lái)對(duì)TASS進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證［4］，然后通過(guò)在低軌衛(wèi)星上搭載TASS接收機(jī)對(duì)TASS進(jìn)行驗(yàn)證，得到了0．1～0．2m的實(shí)時(shí)定軌精度［20］。目前，雖然天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星沒(méi)有S頻段相控陣多址天線，BDS全球增強(qiáng)系統(tǒng)尚未建立，但可以利用天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的準(zhǔn)全球覆蓋特性中繼BDS區(qū)域差分校正數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)，對(duì)搭載BDS接收機(jī)和CDRS接收機(jī)的飛行器進(jìn)行定軌精度驗(yàn)證試驗(yàn)，這些試驗(yàn)可以為CASS的后續(xù)實(shí)施積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，星載GPS接收機(jī)在低軌道航天器精密定軌方面獲得了廣泛應(yīng)用［21］。但僅通過(guò)星載GPS接收機(jī)接收GPS信號(hào)測(cè)定衛(wèi)星軌道，其定位精度非常有限，不能滿足大部分任務(wù)的需求，美國(guó)通過(guò)TASS借助TDRSS來(lái)為低軌道航天器廣播GPS校正數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，使得低軌道航天器達(dá)到分米級(jí)的定位精度，并且定軌時(shí)延小于10s，滿足了大部分任務(wù)的要求。本文通過(guò)對(duì)美國(guó)TASS系統(tǒng)的分析，結(jié)合CDRSS和BDS發(fā)展現(xiàn)狀，從系統(tǒng)可靠性、可用性等方面對(duì)發(fā)展我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)提出了幾點(diǎn)思考意見(jiàn)。

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（編輯：張小琳）

Study on Technique of Real－time Precise Orbit Determination for Spacecraft Based on Data Relay Satellite

WANG Hongfeng LI Qiang QIANG Shengli
（Beijing Space Information Relay Transmission Technology Research Center，Beijing 100094，China）

In this paper，by analyzing America TDRSS augmentation service for satellites and the present situation of China data relay satellite system（CDRSS）and Beidou navigation satellite system（BDS），several aspects for developing China data relay satellite system augmentation service for satellites（CASS）to determine the real－time precise orbit of LEO spacecraft are brought forward as follows：accelerating the construction of the global differential BDS（GDBDS）；improving system reliability of GDBDS through redundancy；increasing the capability of CDRSS to support broadcast；developing standards for CASS；increasing the joint positioning technical support of several Global Navigation Satellite System（GNSS）；using CASS in combination with BDS D2 navigation message data；conducting CASS experiments to accumulate technical experience．

GNSS；LEO spacecraft；data relay satellite；GPS；orbit determination

V19

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．015

2015－08－19；

2016－03－07

王洪鋒，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控。Email：infofusion@163．com。