北斗系統(tǒng)在我國航天任務(wù)中應(yīng)用前景的研究

李 強(qiáng)

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

1 引言

航天測控系統(tǒng)是對運(yùn)載火箭和航天器進(jìn)行跟蹤、測量、監(jiān)視和控制的技術(shù)系統(tǒng)，用于保障火箭和航天器按照預(yù)定狀態(tài)飛行和工作，是航天任務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分［1］。我國航天測控系統(tǒng)經(jīng)過幾十年發(fā)展，形成了以地基為主的航天測控網(wǎng)，圓滿完成了一系列載人飛船和各種軌道衛(wèi)星的測控任務(wù)。

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，航天測控系統(tǒng)原有的規(guī)模、數(shù)量型發(fā)展方式已不能適應(yīng)航天任務(wù)發(fā)展的需要，未來必須走能力、效益型發(fā)展道路。

發(fā)達(dá)國家航天測控系統(tǒng)的發(fā)展道路是：由陸基為主，向海、空、天基拓展，最終向天基為主，陸、海、空基為輔的天基測控轉(zhuǎn)型。測控系統(tǒng)包括測量和控制兩大功能，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)分別是天基測量和控制的兩大支撐系統(tǒng)。

我國前期的天基測量主要基于美國全球定位系統(tǒng) （global positioning system，GPS）開展了一些具體應(yīng)用研究工作。隨著我國自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （以下簡稱 “北斗系統(tǒng)”）的建成運(yùn)行，我國天基測量系統(tǒng)將迎來自主發(fā)展的新階段。如何在航天任務(wù)中統(tǒng)籌規(guī)劃應(yīng)用北斗系統(tǒng)，構(gòu)建適合我國國情的天基測量系統(tǒng)是當(dāng)前急需解決的問題。

本文總結(jié)了國內(nèi)外天基測量系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)及啟示，分析未來航天任務(wù)應(yīng)用需求，探討了天基測量系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)、總體思路和發(fā)展步驟，規(guī)劃了天基測量系統(tǒng)的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，分析了關(guān)鍵技術(shù)問題，以此探索我國天基測量系統(tǒng)的發(fā)展道路。

2 國內(nèi)外基于GNSS天基測量系統(tǒng)發(fā)展歷程

航天測量系統(tǒng)主要沿兩個方向的主線發(fā)展：

1）系統(tǒng)性能 （精度和作用距離等）和功能（多目標(biāo)測量能力和目標(biāo)特性測量能力等）不斷增強(qiáng)；

2）為適應(yīng)不斷復(fù)雜的航天任務(wù)需求，提高測控效率和覆蓋率，測控平臺不斷拓展。

首先，通過將測量設(shè)備安裝在車載平臺上提高其可移動性；接著，為適應(yīng)航天器發(fā)射和在軌管理高覆蓋測控要求，測量系統(tǒng)拓展到了海上；為彌補(bǔ)海基測量系統(tǒng)機(jī)動性差，對高速目標(biāo)的單站跟蹤測量覆蓋率低的不足，美軍稍后開始發(fā)展空基測量系統(tǒng)。

站得更高，就看得更遠(yuǎn)。為進(jìn)一步提高測量覆蓋率，前蘇聯(lián)1957年發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星后不久，將測量站由地面搬到太空，即天基測量的設(shè)想立即引起了各國的高度重視。

2.1 國外基于GNSS的天基測量系統(tǒng)發(fā)展

國外天基測量系統(tǒng)發(fā)展可分為五個階段：

1）嘗試階段。美軍在1958年啟動了子午衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，首次實(shí)現(xiàn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航。但其在實(shí)時性、連續(xù)性和精度等方面存在明顯不足，難以滿足航天任務(wù)要求［2］。

2）設(shè)想階段。20世紀(jì)70到80年代，提出了GPS計劃，同時設(shè)計研制了基于GPS的SATRACK I彈道測量系統(tǒng)作為應(yīng)用示范，并大膽地提出了天基靶場設(shè)想［3］。

3）頂層設(shè)計階段。20世紀(jì)80年代，隨著GPS計劃逐步得到驗證，美國國防部先后成立了專門機(jī)構(gòu)——三軍協(xié)調(diào)委員會和靶場應(yīng)用聯(lián)合計劃辦公室，負(fù)責(zé)靶場GPS應(yīng)用規(guī)劃論證工作。1984年，制訂了 《有關(guān)GPS在試驗和訓(xùn)練靶場的應(yīng)用計劃》。1999年，美國空軍航天司令部制訂天基靶場發(fā)展規(guī)劃。

4）充分驗證階段。20世紀(jì)80年代起，美、日、歐等國家和地區(qū)相繼開展了大量GPS在中低軌衛(wèi)星測定軌、空間交會對接等方面的演示驗證試驗，取得了成功。2003年起，美國已完成了3個階段的天基靶場演示驗證試驗，分別驗證了飛行器對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的連續(xù)跟蹤能力、高速遙測數(shù)據(jù)傳輸能力和高超飛行器的鏈路保持能力［4］。

5）大力推行階段。經(jīng)過大量驗證，美軍決定從2001年起在其東靶場不再發(fā)展雷達(dá)系統(tǒng)，而以GPS外測取代之。同時，美國空軍航天司令部明確提出了天基靶場的發(fā)展規(guī)劃，計劃在2010－2015年開始研究并逐步過渡，并于2016－2028年實(shí)現(xiàn)天基靶場［4］。

2.2 國內(nèi)發(fā)展概況

我國天基測量系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)歷了三個階段：

1）技術(shù)跟蹤階段。20世紀(jì)80年代，我國開始了GPS應(yīng)用跟蹤研究，研制成功了國產(chǎn)GPS接收機(jī)，應(yīng)用方面GPS成功用于測量船定位和定時校頻。

2）論證階段。20世紀(jì)八十年代中后期，專題論證了GPS在我國航天測控領(lǐng)域應(yīng)用的必要性和可行性，并設(shè)計論證了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)。

3）推廣應(yīng)用階段。20世紀(jì)八十年代末，GPS廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭、航天器等目標(biāo)和測量船等測控平臺的軌跡測量，提升了測量系統(tǒng)覆蓋率和使用效能［5］。

目前，北斗系統(tǒng)已開始運(yùn)行，我國天基測量系統(tǒng)正邁入自主發(fā)展的新階段，需要統(tǒng)籌規(guī)劃發(fā)展道路。

2.3 啟示

國內(nèi)外天基測量系統(tǒng)發(fā)展歷程給我國啟示是：

1）發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗表明，天基測量具有天然技術(shù)優(yōu)勢，是提升航天測量系統(tǒng)能力和效益，應(yīng)對我國航天任務(wù)高密度發(fā)射、快速響應(yīng)、多星多任務(wù)測控管理等復(fù)雜任務(wù)需求的關(guān)鍵技術(shù)途徑，是我國航天測量系統(tǒng)未來發(fā)展方向和必然趨勢［6］。

2）天基測量是大膽創(chuàng)新的結(jié)果。隨著北斗系統(tǒng)的建成運(yùn)行，我國天基測量系統(tǒng)將進(jìn)入自主發(fā)展的新階段。我國與美國GPS應(yīng)用條件、系統(tǒng)完善程度、面臨的問題各不相同，如何結(jié)合我國國情，發(fā)揮北斗系統(tǒng)的特點(diǎn)，走好中國式天基測量系統(tǒng)發(fā)展道路，是我們需要仔細(xì)研究的，而大膽創(chuàng)新是發(fā)展的前提。

3）發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗和教訓(xùn)表明，天基測量系統(tǒng)的發(fā)展需要統(tǒng)籌規(guī)劃，明確發(fā)展目標(biāo)，協(xié)調(diào)好各方面的關(guān)系，建立完備的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，才能實(shí)現(xiàn)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展。

4）航天任務(wù)測量需求復(fù)雜多樣，可靠性要求高，天基測量應(yīng)用必須經(jīng)過充分的試驗驗證。同時，GNSS很容易受到干擾和攻擊，GNSS增強(qiáng)、監(jiān)測和評估是天基測量系統(tǒng)應(yīng)用的重要保障。

3 需求分析

北斗系統(tǒng)在航天任務(wù)中應(yīng)用需求的出發(fā)點(diǎn)是發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，彌補(bǔ)陸、海、空基測量手段的不足。

航天器發(fā)射段的主要需求是：

1）發(fā)揮北斗系統(tǒng)高覆蓋率優(yōu)勢，在不大幅拓展地基測站規(guī)模的前提下，滿足長弧段測量需求；

2）發(fā)揮北斗系統(tǒng)用戶設(shè)備輕便優(yōu)勢，適應(yīng)應(yīng)急發(fā)射、多任務(wù)類型和高頻度發(fā)射的挑戰(zhàn)；

3）發(fā)揮北斗系統(tǒng)自主測量的優(yōu)勢，滿足日益增強(qiáng)的火箭自主安控需求。

航天器運(yùn)行段的主要需求是：

1）發(fā)揮北斗系統(tǒng)高覆蓋率優(yōu)勢，滿足未來航天任務(wù)高精度測定軌和載人航天高可靠性要求，減輕國外建站和測量船使用壓力；

2）發(fā)揮北斗系統(tǒng)多目標(biāo)和自主測量優(yōu)勢，滿足多星多任務(wù)管理和自主管理需求，減輕地面測控系統(tǒng)壓力，提升測控系統(tǒng)效能；

3）發(fā)揮北斗系統(tǒng)短基線高精度相對測量優(yōu)勢，滿足空間目標(biāo)交會對接需求。

航天器再入段的主要需求是：

1）發(fā)揮北斗系統(tǒng)高覆蓋率優(yōu)勢，滿足大范圍再入段測量和落點(diǎn)報告需求；

2）與慣導(dǎo)融合，滿足黑障區(qū)測量需求。

同時，北斗系統(tǒng)是海、空基測控平臺的重要測控手段，也可應(yīng)用于測繪、大氣參數(shù)反演、高精度時頻傳遞、機(jī)動設(shè)備管理等領(lǐng)域。

4 應(yīng)用設(shè)想

4.1 發(fā)展目標(biāo)

充分發(fā)揮北斗系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，提高航天測量系統(tǒng)整體能力和使用效益，構(gòu)建天基為主，地基為補(bǔ)充的，功能完備、優(yōu)勢互補(bǔ)、安全可靠，通用可重構(gòu)的陸、海、空、天一體化測量系統(tǒng)。

4.2 總體思路

綜合我國航天任務(wù)未來發(fā)展需求和GNSS應(yīng)用現(xiàn)實(shí)情況，未來加強(qiáng)北斗系統(tǒng)在航天任務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的總體思路是：

1）統(tǒng)籌規(guī)劃，強(qiáng)化頂層設(shè)計。

2）集中力量，突破關(guān)鍵技術(shù)。

3）確?？煽浚浞衷囼烌炞C。

4）典型示范，引領(lǐng)系統(tǒng)發(fā)展。

4.3 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

技術(shù)體系結(jié)構(gòu)規(guī)定了北斗系統(tǒng)在航天任務(wù)中應(yīng)用所面臨的技術(shù)問題，如圖1所示。

圖1 基于北斗系統(tǒng)的航天測量系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

首先面臨的是系統(tǒng)層面上的技術(shù)：

1） “三化”技術(shù)：即 “通用化、系列化、組合化”是實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)在航天任務(wù)中統(tǒng)籌、規(guī)范應(yīng)用的關(guān)鍵。

2）系統(tǒng)增強(qiáng)、監(jiān)測與評估技術(shù)：系統(tǒng)增強(qiáng)、監(jiān)測與評估技術(shù)是保障北斗系統(tǒng)可用性，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠天基測量的保障；同時也為未來航天器中大量應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的鑒定和評估奠定基礎(chǔ)。

其次，北斗系統(tǒng)航天應(yīng)用還需研究信息獲取、信息傳輸、信息處理和信息應(yīng)用四個層面上的問題。

在信息獲取層面上，北斗系統(tǒng)航天應(yīng)用主要面臨高動態(tài)目標(biāo)信號捕獲跟蹤和復(fù)雜條件下 （包括目標(biāo)姿態(tài)變化復(fù)雜、目標(biāo)安裝條件受限、復(fù)雜電磁環(huán)境）信號捕獲跟蹤技術(shù)問題。

在信息傳輸層面上，需要制定統(tǒng)一的物理接口和信息傳輸接口，推進(jìn)和落實(shí) “三化”成果應(yīng)用；同時，還需要研究特定條件下信息實(shí)時無損壓縮傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量GNSS原始觀測信息的下傳，為事后高精度解算提高原始數(shù)據(jù)。

在信息處理層面上，實(shí)時處理技術(shù)是獲取較高精度實(shí)時彈/軌道，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自主安控和航天器自主導(dǎo)航控制的基礎(chǔ)；事后處理技術(shù)是獲取高精度事后軌道，實(shí)現(xiàn)任務(wù)綜合評估的基礎(chǔ)。

信息應(yīng)用層面主要分析梳理如何發(fā)揮北斗系統(tǒng)的使用效益，推進(jìn)我國航天測量系統(tǒng)發(fā)展的問題。

5 關(guān)鍵技術(shù)問題

航天測量具有空間范圍廣、動態(tài)范圍寬、精度要求高、測量條件復(fù)雜和目標(biāo)上安裝條件受限等特點(diǎn)。為推進(jìn)北斗系統(tǒng)航天應(yīng)用，需著力解決以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。

5.1 北斗系統(tǒng)航天應(yīng)用 “三化”技術(shù)

我國航天測量領(lǐng)域前期GNSS應(yīng)用處于自發(fā)、零散的狀態(tài)，“通用化、系列化、組合化”水平低，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同類設(shè)備不能組合、通用，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放互聯(lián)和靈活可重構(gòu)，設(shè)備成本難以降低，給維修改造和效能發(fā)揮也帶來了不便，不利于天基測量系統(tǒng)的統(tǒng)籌發(fā)展。

“三化”技術(shù)的核心是建立北斗系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系，包括物理接口、信息接口、系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、使用管理、設(shè)備檢定和性能評估方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并在航天任務(wù)領(lǐng)域大力推行。以此為基礎(chǔ)，一方面形成適應(yīng)不同要求的北斗系統(tǒng)箭/星裝備型譜，規(guī)范北斗系統(tǒng)裝備的研制、管理、應(yīng)用和評價；另一方面，綜合考慮箭/星載測控（包括外測、遙測、安控、導(dǎo)航和中繼）需求，充分利用軟件無線電和大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的最新成果，統(tǒng)一設(shè)計箭/星載測控終端，實(shí)現(xiàn)基帶信號處理、數(shù)據(jù)存儲、信息處理等方面的一體化，減小彈/箭/星載測控終端的體積、重量和功耗，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提升箭/星載測控分系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

5.2 系統(tǒng)增強(qiáng)、監(jiān)測與評估技術(shù)

衡量GNSS的性能指標(biāo)主要包括精度、完好性、連續(xù)性和可用性。GNSS增強(qiáng)、監(jiān)測與評估技術(shù)是提升GNSS性能，保障可靠應(yīng)用的重要保障。系統(tǒng)性能評估還是評價航天器使用效能和任務(wù)綜合評估的基礎(chǔ)。

GNSS增強(qiáng)包括局域增強(qiáng)、廣域增強(qiáng)和偽衛(wèi)星增強(qiáng)技術(shù)，局域增強(qiáng)和廣域增強(qiáng)的核心是通過建立各基準(zhǔn)站的融合誤差模型實(shí)現(xiàn)多基站綜合差分定位，降低差分定位誤差的時空相關(guān)性［7］；偽衛(wèi)星增強(qiáng)則通過設(shè)置偽衛(wèi)星發(fā)射器，單獨(dú)或與GNSS星座共同組建導(dǎo)航定位星座，以提高測量系統(tǒng)精度、連續(xù)性及可用性［8］。

GNSS性能監(jiān)測與評估技術(shù)分為GNSS系統(tǒng)自檢和與其它系統(tǒng)互檢技術(shù)兩大類。GNSS系統(tǒng)自檢又包括基于接收機(jī)的自主完好性監(jiān)測、基于地面監(jiān)測站的完好性監(jiān)測、星上自主完好性監(jiān)測、基于星間鏈路的星座自監(jiān)測技術(shù)和不同GNSS系統(tǒng)之間的互檢技術(shù)［9］；綜合利用航天測控資源優(yōu)勢，研究GNSS與慣導(dǎo)、地面測控系統(tǒng)互檢技術(shù)，可進(jìn)一步提高GNSS監(jiān)測與評估的準(zhǔn)確性、實(shí)時性和效率。

5.3 復(fù)雜條件下高精度測量技術(shù)

航天任務(wù)中目標(biāo)測量條件的復(fù)雜性表現(xiàn)在三個方面：一是高動態(tài)，即速度、加速度和加加速度大；其次是姿態(tài)變化復(fù)雜；第三是電磁環(huán)境復(fù)雜。這些特點(diǎn)造成了GNSS測量設(shè)備捕獲跟蹤衛(wèi)星導(dǎo)航信號難度大，實(shí)現(xiàn)高精度測量困難。因此，推進(jìn)北斗系統(tǒng)在航天測量領(lǐng)域應(yīng)用的前提條件是實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜條件下目標(biāo)的高精度測量。

高動態(tài)目標(biāo)高精度測量的主要困難在于跟蹤環(huán)路類型和參數(shù)的選擇在提高動態(tài)性能和提高測量精度兩方面是相互矛盾的。目前可行的解決方法是引入其它信息輔助GNSS測量設(shè)備實(shí)現(xiàn)高動態(tài)目標(biāo)高精度測量，其中GNSS及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system，INS）組合測量技術(shù)是主要研究方向。

姿態(tài)變化 （主要是旋轉(zhuǎn)目標(biāo)）的主要問題是破壞了天線與導(dǎo)航衛(wèi)星之間的通視，造成信號時斷時續(xù)。射頻信號合成是工程上實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)測量最簡單的技術(shù)途徑，且成本較低。缺點(diǎn)是測量精度特別是測速精度低。目前實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)高精度測量的可能技術(shù)途徑包括：空間分集接收機(jī)技術(shù)、相位穩(wěn)定共形微帶天線陣技術(shù)和多天線接力測量技術(shù)［10］。這些技術(shù)大多還處于理論研究和仿真驗證階段，需要進(jìn)一步開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

復(fù)雜電磁環(huán)境對北斗系統(tǒng)測量影響巨大。目前應(yīng)用層面解決復(fù)雜電磁環(huán)境下北斗系統(tǒng)測量的技術(shù)手段包括：GNSS/INS組合測量、自適應(yīng)濾波、自適應(yīng)調(diào)零天線、波束控制/波束形成天線等技術(shù)，其中GNSS/INS組合測量適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，是主要研究方向。

5.4 高精度數(shù)據(jù)處理

高精度數(shù)據(jù)處理技術(shù)是GNSS應(yīng)用的關(guān)鍵，目前我國航天GNSS高精度數(shù)據(jù)處理長期依賴于國外的核心技術(shù)和軟件，不適應(yīng)航天任務(wù)高動態(tài)、大范圍的特點(diǎn)，解算精度和可擴(kuò)展性受限，也處理不了北斗系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，需著力加以解決。

結(jié)合航天任務(wù)特點(diǎn)，高精度GNSS數(shù)據(jù)處理應(yīng)重點(diǎn)開展以下幾方面的工作：

1）研究多GNSS系統(tǒng)融合處理技術(shù)，提高GNSS測量精度、可靠性、抗干擾性、連續(xù)性和時效性。

2）研究GNSS/地面測控設(shè)備融合處理技術(shù)，建立雷達(dá)、光學(xué)和GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的融合解算模型和精度評估模型，提升外測連續(xù)性和可靠性。

3）研究低軌航天器實(shí)時軌道測量技術(shù)，提高實(shí)時軌道測量精度。

4）研究精密單點(diǎn)定位技術(shù)，解決基線過長引起的差分處理精度降低問題。

5）研究基于模型約束的GNSS精密定軌技術(shù)，降低測量條件要求，提高GNSS測量精度和連續(xù)性。

6）研制適用于航天任務(wù)的通用GNSS事后數(shù)據(jù)處理軟件，擺脫航天GNSS應(yīng)用核心軟件受制于人的困境。

5.5 設(shè)備檢定技術(shù)

GNSS在航天任務(wù)中承擔(dān)著高精度彈/軌測量和外測設(shè)備精度鑒定比對標(biāo)準(zhǔn)的工作，為保證測量結(jié)果的可信度和精度，新研GNSS測量設(shè)備驗收和參試前應(yīng)該進(jìn)行檢測檢定，在用設(shè)備應(yīng)定期進(jìn)行檢測檢定，以保證其滿足試驗任務(wù)要求。

目前GNSS測量設(shè)備的檢定方法主要采用衛(wèi)星信號模擬器檢定法和靜態(tài)檢定法。衛(wèi)星信號模擬器檢定法難以模擬真實(shí)測量條件，檢定結(jié)果可信度難以令人滿意；靜態(tài)檢定法無法檢驗GNSS測量設(shè)備的高動態(tài)測量性能。

為此，需開展動態(tài)檢定技術(shù)研究，設(shè)計形成系列綜合檢測方法，建立專用檢定平臺，制定設(shè)備檢定規(guī)范。

6 結(jié)束語

天基測量是航天測量系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，北斗系統(tǒng)的應(yīng)用是我國天基測量系統(tǒng)建設(shè)的核心和關(guān)鍵。我國天基測量系統(tǒng)建設(shè)目前還處于起步階段，需要借鑒發(fā)達(dá)國家發(fā)展經(jīng)驗，綜合考慮現(xiàn)實(shí)情況、未來任務(wù)需求和測控系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，強(qiáng)化頂層設(shè)計，優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)，集中力量突破影響系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題，走統(tǒng)籌規(guī)劃，科學(xué)發(fā)展的道路，提升測控系統(tǒng)效能，適應(yīng)未來我國航天任務(wù)蓬勃發(fā)展的要求。

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