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

劉基余

（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079）

導(dǎo)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(dǎo)航信號(hào)的收發(fā)問題之九

劉基余

（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079）

衛(wèi)星激光測距是校驗(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星微波定軌的最佳外部基準(zhǔn)，而被現(xiàn)行的GLONASS、北斗、Galileo、QZSS和IRNSS導(dǎo)航衛(wèi)星所應(yīng)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(jìn)而詳細(xì)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(dǎo)航衛(wèi)星在軌位置的誤差大小，直接影響運(yùn)動(dòng)載體7維狀態(tài)參數(shù)的測量精度；因此，如何精確測定導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道參數(shù)，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，是實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)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(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星微波定軌的最佳外部基準(zhǔn)，而能夠評定導(dǎo)航衛(wèi)星的星歷精度，監(jiān)測導(dǎo)航衛(wèi)星的星鐘運(yùn)行優(yōu)劣，提供導(dǎo)航衛(wèi)星坐標(biāo)系的大地測量基準(zhǔn)，計(jì)算導(dǎo)航坐標(biāo)系的精度因子；因此，被現(xiàn)代的導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)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(dǎo)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(jìn)行衛(wèi)星激光測距（SLR=Satellite Laser Ranging），實(shí)施導(dǎo)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(jìn)行激光測距的合作目標(biāo)（如圖1所示；該圖也說明了衛(wèi)星激光測距的基本原理），進(jìn)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(zhǔn)數(shù)據(jù)，為對地觀測衛(wèi)星能夠準(zhǔn)確地獲取災(zāi)害、資源和全球變化等科學(xué)信息而提供數(shù)據(jù)處理基準(zhǔn)。

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(xué)會(huì)于北京召開的首屆應(yīng)用衛(wèi)星與衛(wèi)星應(yīng)用研討會(huì)上，筆者在題為“國際導(dǎo)航衛(wèi)星近況與中國發(fā)展設(shè)想”大會(huì)報(bào)告中，首次提出了給所有導(dǎo)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(dòng)態(tài)效應(yīng)參數(shù)測量的建議（詳見文獻(xiàn)[1]）。四年后，美國才進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，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(hào)衛(wèi)星（已于2009年4月撤離了服務(wù)）；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(hào)衛(wèi)星。GPS-35/36(PRN05/06)號(hào)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(gè)SLR站自1993年至1995年對GPS-35/36號(hào)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(zhǔn)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(gè)跟蹤站算得的OCS星歷精度最低，用34個(gè)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(dǎo)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(dǎo)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(gè)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(jìn)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(gè)要求進(jìn)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(gè)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(jìn)而跟蹤其運(yùn)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(dòng)式定位法——既發(fā)射測距信號(hào)，又接收從合作目標(biāo)反射回來的該測距信號(hào)。從圖1可見，以電子計(jì)算機(jī)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(shí)間之預(yù)報(bào)值，自動(dòng)地照準(zhǔn)所升起的該顆衛(wèi)星，同步地跟蹤該顆衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)儀器照準(zhǔn)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(yù)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(gè)基準(zhǔn)信號(hào)，稱之為主波；它啟開時(shí)間計(jì)數(shù)器，開始計(jì)數(shù)。激光器所輸出的絕大部分能量，通過曲折光路而射達(dá)位于跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)送光學(xué)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(tái)上的接收光學(xué)系統(tǒng)所接收，并送到光電倍增管，后者將這個(gè)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(hào)）。它經(jīng)過回波放大器放大以后，被送到時(shí)間計(jì)數(shù)器，而中止計(jì)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(shí)間，等于主波啟開計(jì)數(shù)器和回波關(guān)閉計(jì)數(shù)器的時(shí)間之差，由此可算得儀器至激光衛(wèi)星的瞬時(shí)距離值，進(jìn)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(dá)到±2cm，垂直分量精度已達(dá)到±1cm；而且定位精度還在進(jìn)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(xì)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(yùn)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(huì)（IAG）、國際GPS服務(wù)中心（IGS）、美國導(dǎo)航研究所（ION）和國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)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(yàn)（IGEX-98）。該次大聯(lián)測，在俄羅斯、美國、法國和中國香港、中國臺(tái)灣等26個(gè)國家和地區(qū)布設(shè)了61個(gè)GLONASS觀測站；國際激光測距服務(wù)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(gè)國家30臺(tái)衛(wèi)星激光測距儀，對9顆GLONASS導(dǎo)航激光衛(wèi)星進(jìn)行了激光測距。美國得克薩斯大學(xué)等四個(gè)單位，還用對GLONASS衛(wèi)星的激光測距數(shù)據(jù)，獨(dú)立地計(jì)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(hào)接收機(jī)測量數(shù)據(jù)解算的衛(wèi)星在軌位置，可以達(dá)到較高的實(shí)際精度。61個(gè)GLONASS觀測站測量數(shù)據(jù)的集成解算結(jié)果進(jìn)一步說明，GLONASS衛(wèi)星的在軌位置達(dá)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(bào)道，俄羅斯聯(lián)邦計(jì)劃“GLONASS系統(tǒng)的維護(hù)、發(fā)展和應(yīng)用”項(xiàng)目中擬定，將在2020年前建設(shè)一個(gè)名為“Laser GLONASS”系統(tǒng)，力圖以此實(shí)現(xiàn)超高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位測量，達(dá)到厘米級精度的星歷播發(fā)和微微秒級精度的定時(shí)。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(dǎo)航鏈路（又稱為“星際激光導(dǎo)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(dǎo)航鏈路

圖8 用衛(wèi)星激光測距儀將時(shí)間傳遞到遠(yuǎn)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(yàn)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(yàn)衛(wèi)星目的在于：一是驗(yàn)證星載銣鐘、導(dǎo)航信號(hào)發(fā)生器以及整個(gè)導(dǎo)航有效載荷設(shè)備鏈的有效性；二是驗(yàn)證Galileo信號(hào)設(shè)計(jì)中創(chuàng)新設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，其中包括驗(yàn)證用戶接收機(jī)及其在真實(shí)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下抗干擾和抗多路徑效應(yīng)的能力，以便更好地評估這些接收機(jī)對導(dǎo)航業(yè)務(wù)和未來應(yīng)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(shí)用工作衛(wèi)星的研制非常重要。為了完成上述任務(wù)，歐洲航天局已在全球部署了由10個(gè)地面激光測距站和13個(gè)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(gè)GIOVE信息處理中心，負(fù)責(zé)處理GIOVE-A/-B衛(wèi)星的試驗(yàn)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(wù)中心（ILRS）采用如圖2所示的14個(gè)SLR觀測站分布的觀測網(wǎng)，不僅對GPS-35/36兩顆衛(wèi)星進(jìn)行了衛(wèi)星激光測距，而且對GIOVE-A試驗(yàn)衛(wèi)星也進(jìn)行了衛(wèi)星激光測距。其成果表明，GIOVE-A試驗(yàn)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(shí)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(gè)31.6cm×28cm，重2.5kg的六角形陣列（如圖10所示），該陣列由42個(gè)角反射棱鏡組成，每個(gè)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(wù)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(tái)利用通過中阿合作設(shè)置在阿根廷圣胡安大學(xué)天文臺(tái)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(gè)49cm×43cm，重5kg的六角形陣列，該陣列由90個(gè)角反射棱鏡組成，每個(gè)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(tái)還于2008年在北京建設(shè)了一個(gè)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(tái)利用該臺(tái)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(tái)1.2m望遠(yuǎn)鏡，是目前國內(nèi)孔徑最大的地平式天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過一定的改進(jìn)，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(xué)院國家天文臺(tái)與阿根廷國立圣胡安大學(xué)Felix Aguilar天文臺(tái)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(yuǎn)鏡孔徑為600mm，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑為160mm，采用了被動(dòng)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(fù)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(dòng)站，是武漢地震研究所于2010年研制成功的TROS-1000流動(dòng)式衛(wèi)星激光測距儀（簡稱為SLR流動(dòng)站），該流動(dòng)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(yuǎn)達(dá)36 000km的GEO衛(wèi)星實(shí)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(jìn)行了晝夜激光測距，達(dá)到了±1cm左右的平均點(diǎn)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(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS），是由3顆運(yùn)行在3個(gè)不同的傾斜地球同步軌道（IGSO）的導(dǎo)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(shí)，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(yùn)行。2010年9月11日，日本發(fā)射了首顆導(dǎo)航衛(wèi)星“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星一號(hào)，稱之為“指路號(hào)”（MICHIBIKI）衛(wèi)星；其近地點(diǎn)是32 000km，遠(yuǎn)地點(diǎn)為40 000km，軌道傾角為45o，偏心率是0.099，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為12年。“指路號(hào)”衛(wèi)星除了裝備了衛(wèi)星導(dǎo)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(shí)間和頻率雙向傳輸（TWSTFT）設(shè)備；星載L1增強(qiáng)信號(hào)發(fā)送設(shè)備；星載監(jiān)控相機(jī)，能夠?yàn)橛脩籼峁┯跋竦软?xiàng)服務(wù)（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(zhǔn)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(jī)組成。3顆靜地衛(wèi)星分別定點(diǎn)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(gè)軌道上運(yùn)行，其遠(yuǎn)地點(diǎn)為24 000km，近地點(diǎn)為250km，軌道傾角為29o。估計(jì)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(jī)的研制和生產(chǎn)都由印度自主完成，這項(xiàng)工程的實(shí)施預(yù)計(jì)將會(huì)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(jī)。印度已于2013年7月1日成功地發(fā)射了首顆導(dǎo)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(jì)壽命為10年～12年。IRNSS-1A衛(wèi)星裝備了兩個(gè)有效載荷——導(dǎo)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(dǎo)航信號(hào)），以及三個(gè)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(jì)，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(yùn)行后，計(jì)劃每隔幾個(gè)月依次發(fā)射其余6顆導(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(tái)衛(wèi)星激光測距儀，它們在赤道坐標(biāo)系中的站坐標(biāo)分別為X1Y1Z1和X2Y2Z2。導(dǎo)航激光衛(wèi)星S在相同坐標(biāo)系內(nèi)的實(shí)時(shí)點(diǎn)位坐標(biāo)為XSYSZS（如圖14所示），則知導(dǎo)航激光衛(wèi)星S在時(shí)元t的點(diǎn)位坐標(biāo)是：

式中，r(t)為導(dǎo)航激光衛(wèi)星S在時(shí)元t的地心距；為衛(wèi)星軌道的升交點(diǎn)赤徑；I為衛(wèi)星軌道的傾角；為導(dǎo)航激光衛(wèi)星的近地點(diǎn)角距；F為導(dǎo)航激光衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的真近點(diǎn)角。（以上各參數(shù)的意義，請見筆者文章“導(dǎo)航衛(wèi)星的正常軌道及其描述──GNSS衛(wèi)星的運(yùn)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(biāo)為：

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

第i個(gè)SLR測站在時(shí)元t測得至導(dǎo)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(shí)元t至導(dǎo)航激光衛(wèi)星S的真實(shí)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(biāo)i和時(shí)間變量t，而以λφR和6個(gè)軌道參數(shù)為變量，按臺(tái)勞公式展開上式中的第一項(xiàng)，取其一階項(xiàng)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(dǎo)航激光衛(wèi)星在時(shí)元t0的平近點(diǎn)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(jì)算出站星距離，并將它記作ρc

式中，XS0YS0ZS0是用6個(gè)軌道參數(shù)算得的導(dǎo)航激光衛(wèi)星在軌點(diǎn)位坐標(biāo)，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(biāo)，也可用GPS衛(wèi)星定位網(wǎng)測定的該測站坐標(biāo)。

現(xiàn)在導(dǎo)出式（4）中的各個(gè)偏導(dǎo)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(gè)偏導(dǎo)數(shù)，且分別以下述符號(hào)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(jìn)而列立出下列相應(yīng)的法方程式：

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

以上列各值作為新的初始值，按式（22）重新計(jì)算出誤差方程式的各個(gè)系數(shù)，進(jìn)而作迭代計(jì)算，直至各個(gè)修正量收斂為止。依此便能夠求得導(dǎo)航激光衛(wèi)星的6個(gè)軌道參數(shù)，進(jìn)而實(shí)施對GNSS星歷的精化；在實(shí)際應(yīng)用中，并非上述論述中的兩個(gè)衛(wèi)星激光觀測站，而是衛(wèi)星激光觀測網(wǎng)中的多個(gè)衛(wèi)星激光觀測站對同一顆導(dǎo)航激光衛(wèi)星進(jìn)行激光測距，因此，能夠求解出更高精度的6個(gè)軌道參數(shù)，達(dá)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(dǎo)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(jìn)行激光測距，進(jìn)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(dǎo)航激光衛(wèi)星在軌參數(shù)，達(dá)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(shí)施星載激光定軌測量。

近年來，國際GNSS服務(wù)局（IGS）組建了一個(gè)MGEX（Multi-GNSS Experiment）觀測網(wǎng)（如圖15所示），它能夠?yàn)楸倍贰alileo和QZSS衛(wèi)星提供導(dǎo)航信號(hào)驗(yàn)證等多項(xiàng)服務(wù)。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(jìn)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(jìn)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(wù)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(dǎo)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(xué)會(huì)編．應(yīng)用衛(wèi)星與衛(wèi)星應(yīng)用研討會(huì)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(dǎo)航定位原理與方法（第二版）．北京：科學(xué)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(jìn)，關(guān)鍵技術(shù)取得重要成果

由中國衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)主辦的中國衛(wèi)星應(yīng)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(yīng)用發(fā)展藍(lán)圖。中國衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航全球系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)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(shí)現(xiàn)自主可控，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)米級、厘米級乃至毫米級的高精度服務(wù)。北斗系統(tǒng)正式取得國際海事應(yīng)用的合法地位，成為繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后，第三個(gè)被國際海事組織認(rèn)可的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

冉承其表示，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)既是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，也是國家衛(wèi)星高精度導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)、共建共享”的原則，將對國內(nèi)現(xiàn)有基準(zhǔn)站進(jìn)行升級改造，構(gòu)建全國一張網(wǎng)。通過對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)傳輸誤差進(jìn)行差分修正，實(shí)現(xiàn)北斗米級、厘米級乃至毫米級的高精度定位服務(wù)。目前這一工程建設(shè)工作已全面啟動(dòng)，2015年底有望提供基本服務(wù)。此外，北斗星基的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)論證工作也在積極推進(jìn)，將與地基增強(qiáng)系統(tǒng)相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)天地統(tǒng)籌，諧調(diào)共進(jìn)。

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(xué)測繪學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，兼任美國紐約科學(xué)院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中國電子學(xué)會(huì)會(huì)士。主要研究方向是GNSS衛(wèi)星導(dǎo)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(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了280余篇相關(guān)研究論文，獨(dú)著了（北京）科學(xué)出版社于2013年1月出版發(fā)行的《GPS衛(wèi)星導(dǎo)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(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)于2007年出版發(fā)行的《中國科學(xué)技術(shù)專家傳略》工程技術(shù)編《電子信息科學(xué)技術(shù)卷2》等五十多種國內(nèi)外辭書上。