中繼衛星支持航天器實時精密定軌技術研究

王洪鋒 李強 羌勝莉

（北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京 100094）

中繼衛星支持航天器實時精密定軌技術研究

王洪鋒 李強 羌勝莉

（北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京 100094）

通過分析美國跟蹤與數據中繼衛星系統衛星增強服務，結合我國數據中繼衛星系統和北斗衛星導航系統發展現狀，總結得到對我國發展數據中繼衛星系統衛星增強服務，以實現低軌道航天器實時精密定軌的幾點啟示：加快建設北斗衛星導航系統全球增強系統；通過冗余提高北斗衛星導航系統全球增強系統可靠性；增加我國數據中繼衛星支持廣播的能力；建立我國數據中繼衛星系統衛星增強服務標準；增加多系統聯合定位技術支持；與北斗衛星導航系統D2導航電文配合使用；進行數據中繼衛星系統衛星增強服務試驗以積累技術經驗。

全球導航衛星系統；低軌道航天器；數據中繼衛星；全球定位系統；定軌

1 引言

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的天基無線電導航定位系統［1］。差分增強技術作為GNSS本身的補充與改進措施，能夠有效提高系統服務的精度、可用性、連續性和完好性指標，一直是GNSS領域研究的熱點問題［2］。大部分增強系統具有以下特點：地面數據中心利用分布在全球或區域內的基準站，對導航衛星進行連續觀測并計算獲得衛星軌道參數改正數、衛星時鐘改正數和廣域電離層延遲改正數等，通過上行鏈路發送至衛星或通過互聯網進行廣播。用戶在收到改正數后，對所得到的觀測量進行修正，最后計算出自身位置，精度可以達到1m甚至分米級。地球表面用戶借助于GNSS增強系統可以獲得高精度定位數據。

目前，GNSS已經在低軌道航天器測軌、定軌方面取得廣泛應用。對于諸多低軌道航天器獲得實時精確的軌道和速度信息對其完成任務具有重要意義。低軌道航天器對軌道精度的要求從幾米至幾厘米，因任務不同而不同［3］。然而，低軌道航天器搭載的GNSS接收機由于受各種誤差影響，定軌精度有限，不能滿足很多任務要求。低軌道航天器不斷繞地球運行，如何讓低軌道航天器借助于GNSS增強系統獲得高精度的軌道位置，是擺在我們面前的重要課題。美國跟蹤與數據中繼衛星系統衛星增強服務（TDRSS Augmentation Service for Satellites，TASS）借助于跟蹤與數據中繼衛星系統（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）的高覆蓋率特性來解決這一難題。目前中國數據中繼衛星系統（China Data and Relay Satellite System，CDRSS）和北斗衛星導航系統（Bei Dou Navigation Satellite System，BDS）正在不斷建設和發展，本文通過對TASS的研究，結合CDRSS和BDS發展現狀，為我國發展數據中繼衛星系統衛星增強服務（CDRSS Augmentation Service for Satellites，CASS）提出幾點啟示。

2 美國跟蹤與數據中繼衛星系統衛星增強服務

美國跟蹤與數據中繼衛星系統衛星增強服務是通過TDRSS為低軌道航天器提供全球定位系統（Global Positioning System，GPS）差分校正數據和其他輔助數據來幫助低軌道航天器實時獲得分米級的精確軌道信息和納秒級的時間信息［4］。GPS差分校正數據包括GPS衛星軌道校正數據、GPS衛星時鐘校正數據和GPS完好性狀態等，輔助數據包括地球定向參數和太陽輻射通量信息等。跟蹤與數據中繼衛星（Tracking and Data Relay Satellite，TDRS）通過S頻段前向多址信道廣播GPS差分校正數據和輔助數據［3－4］。TASS系統框圖如圖1所示。

全球差分GPS（The Global Differential GPS，GDGPS）系統是諸多差分增強系統的一種，它利用分布在全球數百個參考站上的雙頻接收機實時獲得GPS衛星測量數據，這些測量數據通過網絡或者專用線路實時傳輸至數據交換設備，數據交換設備通過專用線路將測量數據送至操作中心，操作中心通過RTG（Real－Time GIPSY，RTG）軟件對測量數據進行實時處理，獲得GPS衛星軌道校正數、時鐘校正數和GPS完好性狀態等數據。這些數據連同其他輔助數據以1Hz的頻率通過專用線路傳送至TDRS地面站TASS計算機，經過TASS發射機編碼、調制等處理后通過TDRS地面站天線發送至TDRS，TDRS將這些數據轉發至低軌道航天器，低軌道航天器通過TDRS接收機接收這些校正數據和輔助數據，并聯合自身GPS接收機實測數據通過RTG軟件實時計算自身軌道位置［4］。

為了提高系統可靠性，GDGPS系統采用冗余設計，數據交換設備、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避免單點失效。全球分布的數百個參考站保證了同時至少有9個參考站觀測同一顆GPS衛星，這樣即使有一個參考站工作失效也不會對系統產生影響。這些參考站一方面測量獲得GPS衛星軌道、時鐘等原始數據，同時對GPS完好性進行實時監測。通過每個節點數倍的冗余保證了系統99．999%的可靠性［3－4］。

通常3個TDRS就可以實現對低軌道航天器全天候的全球覆蓋。通過配置TDRS相控陣天線可以形成一個前向寬波束來廣播GPS衛星軌道和時鐘差分校正數據及其他輔助數據，而配置構成前向波束的相控陣天線單元的數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中繼接收機的需求。TASS規定了廣播數據包組成和包格式、數據速率和調制編碼方式等。TASS端到端的延遲大約為5s，其中包括3～4s的差分校正數據處理時間和1～2s的傳輸時延。通過TASS，搭載雙頻GPS接收機的低軌道航天器的實時定軌精度從1～5m提高至0．1～0．3m，時間精度由10ns量級提高至1ns量級，并且廣播數據包含了GPS完好性狀態信息［4］。

3 我國數據中繼衛星系統

數據中繼衛星是轉發地球站對中、低軌道航天器的跟蹤、遙控信息和轉發航天器發回地球站的數據的通信衛星。數據中繼衛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線電波直線傳播特性帶來的負面影響，從而解決了測控、數傳的軌道覆蓋率和實時傳輸信息問題，具有很高的經濟效益。經過多年的研發，我國已經掌握了中繼衛星系統關鍵技術，并成功發射了3顆天鏈一號數據中繼衛星。目前，天鏈一號中繼衛星系統已經形成了包括東、中、西三星組網的準全球覆蓋中繼衛星系統。天鏈一號衛星星間通信鏈路使用單副S/Ka頻段雙饋源拋物面天線，測控信號使用S頻段單址鏈路中繼信號，星地高速通信使用Ka頻段天線，衛星大型拋物面天線指向、捕獲和跟蹤使用星載閉環捕獲跟蹤技術。該系統可以為中國多種對地觀測衛星提供數據中繼服務，為中低軌衛星、航天器發射等提供測控中繼服務，為特殊用途的飛機和其他飛行器等非航天用戶提供測控和高速率數據中繼服務［5］。中繼衛星在為用戶目標提供數據中繼服務的過程中，可以利用前向傳輸信道為用戶目標提供GNSS差分校正數據和其他輔助數據，用戶目標利用這些數據結合自身GNSS接收機測量值計算出高精度的位置信息。高精度軌道的確定是執行空間任務的有效保證，是實現高精度軌道控制的前提和基礎。

4 我國北斗衛星系統

北斗衛星導航系統是我國自行研制、獨立運行的全球衛星導航定位與通信系統，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星的混合星座設計模式［1］。2012年10月，第16顆北斗衛星成功發射，標志著我國北斗導航系統的區域組網工作已順利完成，初步建成覆蓋國內及亞太地區的區域性無源衛星導航系統。2016年2月，第21顆北斗衛星發射成功，標志著北斗衛星導航系統向全球組網建設目標邁出了堅實一步，現在北斗衛星導航系統在中國的定位精度已達到5m左右［2，6］。北斗衛星導航系統致力于向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10m，測速精度0．2m/s，授時精度10ns。授權服務是為全球用戶提供更高性能的定位、導航和授時服務，以及為亞太地區提供廣域差分和短報文通信服務，其廣域差分定位精度為1m［6－7］。

衛星導航定位是利用一組導航衛星的偽距、星歷、衛星信號發射時間等測量數據來實現的。由于用戶鐘差未知，因此，要獲得用戶的三維坐標，必須對4顆及以上衛星進行測量。在這一定位過程中，存在著三部分誤差：第一部分是與衛星有關的誤差，包括衛星鐘誤差、星歷誤差等；第二部分為傳播路徑誤差，包括電離層誤差、對流層誤差、多徑效應等；第三部分為用戶接收機所固有的誤差，例如內部噪聲、通道延遲、接收天線相位中心誤差等。上述誤差按誤差性質可分為系統誤差和隨機誤差兩類，其中衛星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等屬于系統誤差，用戶接收機誤差等屬于隨機誤差。無論從誤差的大小還是從對定位結果的影響來看，系統誤差都比隨機誤差大很多，系統誤差可以通過差分技術加以消除或削弱［8］。在衛星數有限的條件下，獲取導航衛星的差分（軌道、鐘差）改正數和電離層改正數是提升定位精度的關鍵［2］。

差分改正數的獲取須要借助于局域差分系統或者廣域差分系統。目前，我國已經就差分技術進行了多次試驗，例如“廣域實時精密定位技術與示范系統”已通過驗收，該系統以廣域差分和精密單點定位技術為基礎，充分利用我國現有衛星導航地面基準站資源，集成先進實時數據處理、互聯網和衛星通信等技術，建成了我國高精度衛星導航增強示范系統，即BDS增強示范系統。該系統使得我國廣域用戶的定位精度從米級提升到分米級乃至厘米級［8－9］。文獻［10］對北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能進行初步評估，試驗結果表明：北斗偽距單點定位平面精度優于6m，高程精度優于10m，三維精度優于12m；北斗單頻偽距差分平面精度優于1．5m，高程精度優于2m，三維精度優于2．5m［10］。文獻［11］對北斗系統廣域差分性能進行了評估，試驗結果表明：北斗系統提供的廣域差分服務進一步提升了系統服務性能，北京地區測試評估結果顯示，單頻差分服務精度優于5m，比普通單點定位精度提升了近30%；雙頻差分服務精度優于3m，比普通雙頻定位精度提升了近40%［11］。差分校正數據須要通過數據鏈實時傳輸給用戶導航定位接收機，對于低軌衛星來說，可以借助于數據中繼衛星來實時得到差分校正數據，提高自身定位精度。

5 我國數據中繼衛星系統衛星增強服務的幾點思考

衛星軌道信息是衛星應用的前提和基礎，衛星的定軌精度取決于測軌技術和定軌方法兩個方面，其中測軌技術起決定性作用。目前常用的測軌技術主要有衛星激光測距（Satellite Laser Ranging，SLR）、多普勒測速（Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite，DORIS）、精密測距測速（Precise Range and Range－rate Equipment，PRARE）和全球定位系統（GPS）技術。與SLR、DORIS和PRARE相比，GPS由于其成本低、設備輕便，又有全天候、高精度、連續觀測的優點而成為低軌道航天器的主要測軌手段［12］。傳統的GPS定軌方法是根據星載GPS接收機獲取的偽距和載波相位等單點測量值，結合動力學模型，利用卡爾曼濾波獲取衛星的定軌信息，這種方法可達到的定軌精度約為10m，利用文獻［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星對衛星定軌能力的需求［13］。文獻［14］利用星載GPS數據進行海洋2A衛星快速精密定軌，可以確定徑向厘米級精度的快速軌道，但該精密定軌技術為事后定軌，需要精密星歷支持，并且定軌延遲至少為6h［14］。通過TASS，低軌航天器可以獲得分米級的定軌精度和納秒級的時間信息［4］，并且定軌延遲小于10h。目前，CDRSS已經實現準全球覆蓋，BDS實現對國內及亞太地區覆蓋，從GPS在國外低軌道航天器高精度跟蹤測量方面的廣泛應用來看［12，15］，我國低軌道航天器搭載BDS終端，發展CASS也將成為必然趨勢。結合前面對美國TASS的分析，我國發展CASS須要注意以下幾個問題。

1）加快建設北斗衛星導航系統的全球差分增強系統

星載GPS接收機定位精度主要影響因素為GPS衛星軌道誤差、GPS衛星時鐘誤差、電離層延遲誤差等，這三項誤差均可以通過構建GDGPS系統來獲得。BDS定位原理與GPS基本一致，這三項誤差同樣影響我國星載BDS接收機定位精度，提高星載BDS接收機定位精度須要構建BDS全球增強系統。目前，我國已經完成基于BDS的廣域實時精密定位技術與示范系統，在這方面積累了一定的經驗。BDS全球差分增強系統（Global Differential BDS，GDBDS）由于在國外參考站建站限制等原因尚未進行建設。通過加快建設GDBDS或區域增強系統來提高BDS廣域用戶定位精度有利于扭轉BDS起步較晚這一不利情況。在構建GDBDS的過程中，可以參考GDGPS系統架構并結合BDS特點加以改進。

2）通過冗余提高GDBDS可靠性

美國GDGPS系統每個節點均采用了數倍的冗余來保證GDGPS系統99．999%的可靠性。同樣，在構建GDBDS的過程中，需要考慮數據處理中心、傳輸線路、參考站等節點地理位置和數量上的冗余來提高系統可靠性，尤其要保證參考站的數倍冗余來對BDS完好性進行實時監測。同時，采用數據加密等方式來提高系統的安全性。

3）增加CDRS支持廣播的能力

美國TASS利用3顆TDRS實現對地球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陣元形成一個寬度為18°～20°的廣播波束，24h不間斷地向地面廣播GPS校正數據［4］。該波束中心有效全向輻射功率（EIRP）為28dBW，±10°處EIRP為22dBW，假設低軌道航天器TASS接收機天線增益為－5dBi，則鏈路預算如表1所示，可以滿足TASS接收機30dB/Hz的信噪比要求［3－4］。我國天鏈一號中繼衛星雖然可以實現準全球覆蓋，但不具備廣播能力。相控陣多址天線通過配置可以形成多個前向波束，并且波束寬度可調整，各波束互不影響。由國外TDRS的發展現狀可知：搭載S頻段相控陣多址天線以便同時支持多個用戶將是CDRS發展的必然趨勢。這也滿足我國CASS對CDRS的要求。

表1 TASS鏈路預算Table 1 TASS link budget

4）建立我國CASS標準

美國TASS廣播數據內容、更新頻率和精度如表2所示［3］。廣播數據的一種幀結構如表3所示，其幀長為256bit，包含GPS衛星軌道校正值、時鐘校正值、衛星完好性信息等。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的擴頻碼對BPSK調制信號進行直接序列擴頻，并且每顆TDRS使用不同的擴頻碼序列，TASS接收機采用兩種類型：一種將GPS/TDRS接收機集成在一起，另一種將GPS、TDRS接收機相獨立［4］。CASS包括CDRSS、GDBDS、星載CDRS接收機和BDS接收機等部分，整個系統異常復雜。GDBDS數據傳輸格式、CDRS廣播數據內容及傳輸速率、CDRS廣播波束寬度和EIRP值、星載CDRS接收機等均須要有統一的標準來約定。目前，我國衛星導航應用政策和標準還不夠健全，這會影響用戶的拓展［1］。只有提前建立我國CASS的標準，才能為我國CASS的順利實現和用戶拓展奠定基礎。

表3 TASS廣播數據幀結構Table 3 Broadcast data frame format of America TASS

5）增加多系統聯合定位技術支持

目前，全球有美國GPS、俄羅斯Glonass、歐洲Galileo和中國BDS四大GNSS。估計到2020年前，這四大系統均將具備全球導航定位能力。在復雜測量條件下，傳統單系統雙頻導航定位往往面臨可見衛星數不足，定位精度和可靠性差等問題。多系統聯合定位的實施將為用戶提供更多的備選組合測量值，增加可見衛星數，增強衛星幾何強度，減少或消除單系統導航定位產生的系統誤差，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態定位精度相對于單一的GPS定位的改善可達20%以上［10］；GPS＋BDS組合的實時定軌精度較單個GPS系統至少提高26%［16］。在建立我國CASS標準的過程中，增加多系統聯合定位技術支持，使星載GNSS接收機同時可以接收多個GNSS的導航數據，星載CDRS接收機可以接收多個GNSS增強系統的校正數據和輔助數據，具有兩方面好處：一方面利用多個GNSS導航數據聯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導航電文配合使用

BDS由5顆地球靜止軌道（GEO）衛星、27顆中圓地球軌道（MEO）衛星和3顆傾斜地球同步軌道（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO）衛星組成［17］。MEO/IGSO衛星在B1頻點I支路發播D1碼，D1導航電文速率為50bit/s，內容包含基本導航信息（本衛星基本導航信息、全部衛星歷書信息、與其他系統時間同步信息）；GEO衛星在B1頻點I支路發播D2碼，D2導航電文速率為500bit/s，內容包含基本導航信息和增強服務信息（北斗系統的差分校正數據及完好性信息和格網點電離層信息）［17］。用戶可以通過接收D2導航電文上廣播的差分數據等信息來提高自身定位精度。GEO衛星分別定點于58．75°E、80°E、110．5°E、140°E和160°E，覆蓋全球超過50%以上的區域［18－19］。另外，對于采用多系統聯合定位技術的用戶，還須要通過其他途徑來獲得BDS以外的其他導航系統的校正數據。因此，基于CDRS轉發校正數據和通過接收D2導航電文獲得校正數據兩種方式可以配合使用，當用戶僅使用BDS且位于BDS的GEO衛星覆蓋區域內時可以通過接收D2導航電文獲得校正數據來提高定位精度；當用戶采用多系統聯合定位或位于BDS的GEO衛星覆蓋區域外時可以通過CASS來提高定位精度。

7）進行CASS試驗，積累技術經驗

美國最初通過在飛機上搭載TASS接收機來對TASS進行試驗驗證［4］，然后通過在低軌衛星上搭載TASS接收機對TASS進行驗證，得到了0．1～0．2m的實時定軌精度［20］。目前，雖然天鏈一號中繼衛星沒有S頻段相控陣多址天線，BDS全球增強系統尚未建立，但可以利用天鏈一號中繼衛星系統的準全球覆蓋特性中繼BDS區域差分校正數據和其他輔助數據，對搭載BDS接收機和CDRS接收機的飛行器進行定軌精度驗證試驗，這些試驗可以為CASS的后續實施積累技術經驗。

6 結束語

目前，星載GPS接收機在低軌道航天器精密定軌方面獲得了廣泛應用［21］。但僅通過星載GPS接收機接收GPS信號測定衛星軌道，其定位精度非常有限，不能滿足大部分任務的需求，美國通過TASS借助TDRSS來為低軌道航天器廣播GPS校正數據和輔助數據，使得低軌道航天器達到分米級的定位精度，并且定軌時延小于10s，滿足了大部分任務的要求。本文通過對美國TASS系統的分析，結合CDRSS和BDS發展現狀，從系統可靠性、可用性等方面對發展我國數據中繼衛星系統衛星增強服務提出了幾點思考意見。

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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，高級工程師，研究方向為航天測控。Email：infofusion@163．com。