聯合少量地面控制源的空間信息網軌道確定與時間同步

陳銳志，蔚保國,王甫紅，龔學文，鮑亞川，王 磊，劉萬科，付文舉

1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079; 2. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079; 3. 衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081

空間信息網絡技術與地面通信技術相結合，能夠解決通信覆蓋的問題，可提供更加泛在的、更加可靠的全球移動通信服務。近年來，全球低軌通信互聯網星座開始興起并蓬勃發展，國內外商業公司相繼推出由成百上千顆低軌衛星(LEO)構成的星座計劃。低軌通信衛星在提升衛星導航服務性能方面具有巨大的潛力，對高精度時空基準維持可發揮重要作用。一方面，在低軌衛星上搭載導航信號載荷，向地面播發導航增強信號，憑借幾何構型變化快的特點，可加速精密單點定位的收斂過程[1-5]。另一方面，低軌衛星與全球導航衛星系統(GNSS)聯合定軌可實現厘米級的低軌衛星定軌精度，以維持空基的高精度動態時空基準[6-8]。

國內外學者已對GNSS定軌技術及地基連續運行參考系統(CORS)作了很多研究，其理論和技術都已十分成熟，GNSS中高軌道衛星與低軌衛星的軌道精度可達厘米級[9-12]，實現了成熟的厘米級精度的地面定位服務[13-15]。然而，地基CORS網是一個靜態、網絡不可重構和不可伸縮的剛性網，只能在其覆蓋范圍內提供定位服務，無法在近地空間、深海和邊遠山區等無網覆蓋區域提供服務。天基CORS可彌補這一缺點，其原理是將低軌衛星網作為基準站，利用低軌通信技術傳輸星載GNSS數據到數據處理控制中心，生成基準站差分定位修正信息，播發給用戶以實時解算精確的定位信息。天基CORS所依賴的空間信息網具有高動態、網絡重構性和伸縮性強的特點，因此，如何在高動態和網絡時空行為復雜的環境下，利用少量地面控制源為空間信息網中的高動態多層節點實時提供統一的高精度時空基準，是空間信息網絡構建中所必須面對的問題。

本文針對空間信息網的上述特點，擬通過融合LEO星載GNSS觀測數據和地面站GNSS觀測數據，優化區域地面跟蹤站組網方案，實現基于區域(中國境內)少量地面控制源的多系統多層次聯合定軌和在軌單點精密定位技術。

1 基于少量地面控制源的空間信息網軌道確定

1.1 空間基準統一方案設計

在僅有區域少量地面基準站支持的情況下，實現空間基準的統一須融合利用GEO/IGSO/MEO/LEO等高、中、低節點。針對空間信息網絡節點的高動態、多系統與多層次特點以及對空間基準實時高精度統一的需求，空間基準統一的方案設計如圖1所示。整個空間信息網絡的節點分為骨干網節點和接入節點。骨干網節點包括少量地面控制源，少量LEO衛星和中高軌導航衛星，用于聯合定軌產生整網的空間基準。接入節點可以包括LEO衛星，近地空間飛行器和地面用戶，這些節點作為空間信息網的用戶不參與基準維持。空間信息網的空間基準統一可分兩步實現：

圖1 空間信息網絡的空間基準統一方案設計Fig.1 Scheme of unified spatial datum design for spatial information network

(1) 空間基準的建立與維持。從空間信息網的節點中選擇質量可靠的LEO衛星和地面節點，與中高軌導航衛星一起形成骨干網絡。聯合骨干網絡中星載GNSS觀測數據、地基GNSS觀測數據及其他各層次觀測數據，如GNSS星間鏈路數據等，開展多層次觀測數據支持下的高、中、低節點的聯合定軌，獲得空間信息網絡骨干節點精密軌道。

(2) 空間基準的應用。利用聯合解算產生的GNSS衛星星歷，采用實時絕對精密定軌方式，獲取其他接入節點的精密軌道或者軌跡，從而實現整網空間基準的統一。

該方案能夠充分利用LEO節點彌補區域條件下地面基準站幾何分布不足的問題，提高GNSS衛星星歷的精度，實現在少量區域基準站的支持下，空間信息網絡中高、中、低、地各層次節點都能夠獲取其高精度位置信息，從而實現整個空間信息網絡空間基準的統一。

1.2 試驗數據與配置

搜集整理國內外公開的低軌衛星星載GPS數據，結合少量區域地面站，構建一個基于GPS星座的高、中、低、地空間信息網絡。按照本文提出的空間基準統一方案，開展GPS+LEO聯合定軌及基于聯合定軌星歷的LEO衛星絕對定軌試驗，從而驗證空間信息網絡高、中、低各層次節點在區域少量地面基準站下的軌道確定性能。

本試驗設計了兩種地面站的分布方案：一種是基于中國境內的5個IGS測站，即BJFS/JFNG/SHAO/LHAZ/URUM；另一種是對境內測站分布空間進行適當擴展，即采用中國境內5個站和靠近南北極的CAS1/NRIL站。對于LEO衛星網絡，由于目前缺乏一個構型理想的低軌星座，因此試驗中低軌星座只能由同一時段內具有可用星載GPS數據的LEO衛星構成。

目前公開可用的LEO衛星大部分搭載雙頻GPS星載接收機，因此本文整理了國內外32顆LEO衛星可用的星載GPS實測數據[16-19]。圖2對2000—2020年之間這32顆LEO衛星的星載GPS數據可用時段進行了統計，圖3對這期間星載GPS實測數據同時可用的LEO衛星數進行了統計。可以看出，同時段數據可用的LEO衛星數最多達到16顆。本文選擇2016年年積日(DOY)為043—057期間的剔除各種處于非正常狀態的衛星后的GRACE-A/B、Swarm-A/B/C、MetOp-A/B、ZY3-1、JASON-2/3、COSMIC/FM1與KOMPSAT-5等12個LEO衛星，構成小型低軌星座參與GPS+LEO的聯合定軌。

圖2 LEO衛星星載GPS觀測數據的可用時段Fig.2 Data availability of LEO satellite onboard GPS observations

圖3 星載GPS觀測數據同時可用的LEO衛星數目Fig.3 Feasible LEO satellite number for onboard GPS observations

表1列出了空間信息網絡空間基準統一的數據處理詳細策略。根據高、中、低軌道不同的力學特性，中高軌道的GPS衛星與低軌衛星分別采用不同的動力學模型配置[20-21]。GPS衛星軌道較高，大氣阻力影響較小，衛星受到的非保守力主要是太陽光壓的影響，而經驗太陽光壓模型精度有限，因此必須估計太陽光壓系數來調節力模型的適應性。對于低軌衛星，其受大氣阻力影響較大，現有的大氣阻力模型也難以滿足精密定軌的要求，為了彌補其不足，在聯合定軌中增加了經驗力模型，在絕對定軌中則估計經驗加速度。此外，需要指出的是，空間基準統一方案中的聯合定軌部分采用最小二乘估計器來進行參數估計。在絕對定軌中，為適應每個空間節點快速實現自身精密位置確定，參數估計采用擴展卡爾曼濾波。

表1 空間信息網絡空間基準統一試驗數據處理策略Tab.1 Data processing strategy of unified spatial datum experiment for spatial information network

1.3 試驗初步結果分析

1.3.1 導航衛星節點的聯合定軌精度

根據空間信息網絡中空間基準統一的設計方案，首先開展GPS+LEO的聯合定軌試驗，12個LEO衛星按照GRACE-A、GRACE-B、SWARM-A、SWARM-B、SWARM-C、MetOp-A、MetOp-B、ZY3-1、JASON-2、COSMIC/FM1、KOMPSAT-5與JASON-3的次序逐漸加入參與聯合定軌。圖4給出了區域5站與區域7站下不同LEO衛星數目參與聯合定軌時GPS衛星的軌道平均精度。可以看出，無論是基于區域5站還是區域7站，隨著LEO衛星數目增加，GPS衛星的軌道平均精度逐漸提高。當衛星數目分別增加到9顆與7顆時，兩種方案里GPS衛星軌道平均精度提高不超過1 cm。當衛星數目分別增加到11顆與9顆時，兩種方案里GPS軌道平均精度提高不超過3 mm，而最終的GPS軌道平均精度分別達到了6.9 cm與5.0 cm。

圖4 不同LEO衛星數目下GPS+LEO聯合定軌精度Fig.4 GPS+LEO combined orbit determination accuracy with different number of LEO satellites

圖5給出了聯合定軌中12個LEO衛星對每顆GPS衛星定軌增強的效果。可以看出，如果僅有區域5站或區域7站支持，GPS衛星的軌道平均精度為20～80 cm，12個LEO衛星參與聯合定軌后，GPS衛星的軌道平均精度達到3～8 cm，定軌精度提高幅度達到80%～90%。分析其主要原因在于，LEO衛星相當于動態跟蹤站，可以有效彌補區域地面站幾何分布不足的缺陷，增強GNSS衛星觀測的幾何強度，從而提升GNSS衛星的軌道確定精度。

圖5 12個LEO衛星對GPS衛星的定軌增強效果Fig.5 Improved GPS orbit determination performance by 12 LEO satellites

1.3.2 低軌衛星節點的聯合定軌精度

圖6給出了GPS和12個LEO衛星聯合定軌中LEO衛星的軌道平均精度，其中“all”表示每顆衛星整個定軌弧段的軌道平均精度。從圖6(a)可以明顯看出，基于區域5站時，除COSMIC/FM1、JASON-3與KOMPSAT-5等少數LEO衛星在少數天的定軌精度大于7 cm外，其他LEO衛星絕大部分時候都優于7 cm。就整體定軌精度而言，COSMIC/FM1、JASON-3、KOMPSAT-5與MetOp-A衛星的精度分別為7.1 cm、6.7 cm、5.4 cm與5.6 cm，其他LEO衛星的整體定軌精度都優于5 cm。從圖6(b)可以明顯看出，基于區域7站時，除COSMIC/FM1、JASON-3、KOMPSAT-5與MetOp-A衛星在少數天的定軌精度大于5 cm外，其他絕大部分LEO衛星定軌精度都優于5 cm。COSMIC/FM1、JASON-3、KOMPSAT-5、MetOp-A與ZY3-1衛星的整體定軌精度分別為6.0 cm、5.5 cm、3.9 cm、4.0 cm與4.0 cm，其他7顆LEO衛星的整體定軌精度均優于3 cm。需要特別指出的是，部分LEO衛星在某些天定軌精度較差，主要是由星載GPS觀測數據質量較差或者姿態等星體信息不明確引起的。圖6充分說明了：即便只有區域少量地面站支持，參與聯合定軌的LEO衛星定軌精度可達到與GPS衛星相當的厘米級水平(2～7 cm)。

圖6 GPS+LEO聯合定軌中LEO衛星的軌道精度Fig.6 Orbit accuracy of LEO satellites in GPS and LEO combined orbit determination

1.3.3 LEO衛星接入節點定軌精度

基于“區域5站+12顆LEO”與“區域7站+12顆LEO”兩組聯合定軌試驗，可產生厘米級的GPS軌道結果。理論上，基于聯合定軌星歷的LEO衛星絕對定軌應選擇該時段內未參與聯合定軌的LEO衛星進行試驗。然而，該時段內目前還未收集到其他LEO衛星有效可用的星載GPS觀測數據。因此，本節試驗選擇除GRACE-A衛星外的11顆LEO衛星作為骨干節點，進行“區域7站+11顆LEO”聯合定軌試驗產生GPS星歷，隨后對未參與聯合定軌的GRACE-A進行絕對定軌。以IGS最終星歷產品為參考，首先對聯合定軌星歷精度進行評估，其徑向/切向/法向(R/T/N)的軌道精度分別達到了2.8 cm、6.2 cm與5.4 cm，而3個方向的軌道平均精度達到了5.0 cm。

對2016年DOY為043—057期間GRACE-A衛星的星載GPS數據進行處理，開展GRACE-A衛星精密定軌試驗，并對其定軌精度進行評估。圖7給出了GRACE-A衛星每天R、T、N方向的軌道精度與3個方向的軌道平均精度。從試驗結果可以看出，GRACE-A衛星R方向精度為9.0～16.0 cm，T方向精度為6.0～10.0 cm，N方向精度為7.0～13.0 cm，3個方向軌道平均精度為7.0～13.0 cm。對15 d的總體精度進行統計，R、T、N方向軌道精度分別為12.5 cm、7.7 cm與8.8 cm，3個方向的總體平均精度達到了9.9 cm。

圖7 基于兩種聯合星歷的GRACE-A衛星每日定軌精度Fig.7 Daily orbit determination accuracy of GRACE-A satellite based on the combined ephemerides

在上述試驗結果中，利用區域少量地面站結合低軌衛星星座的星載GPS數據，開展GPS+LEO高、中、低軌聯合定軌解算，中高軌道GPS衛星可以獲得3～8 cm水平的定軌結果，參與聯合定軌的LEO衛星軌道平均精度為2～7 cm，未參與聯合定軌的LEO衛星軌道平均精度也達到10 cm。試驗充分表明，采用本文提出的空間信息網絡空間基準統一方案，在僅有區域少量基準站支持的情況下，結合低軌星座的觀測數據，可以實現高、中、低各層次節點厘米級的動態位置確定精度，從而最終實現空間信息網絡高精度空間基準的統一。

2 高中低軌體系下空間信息網的時間同步

2.1 空間信息網絡時間同步體系框架設計

空間信息網絡時間同步體系的構建目的是建立統一的時間基準并實現整網時間同步，具體的設計思想需要結合空間信息網絡的動態、多層和異構多節點特性，滿足各類節點的時間同步需要。基于空間信息網絡的分層特性，時間同步體系也呈現出軌道高度分層和功能分層的特點。根據平臺類別和守時性能，對空間信息網絡時間同步體系的構成單元進行功能分層，可劃分為骨干節點和用戶節點兩類，網絡架構也應采用時間基準骨干網和時間同步子網的分層架構。

如圖8所示，骨干節點具有高性能的原子鐘組和高精度時間分發能力，可以部署于地面及高、中、低軌各個層面。骨干節點間通過彼此高精度的時間比對，構成空間信息網絡的時間基準骨干網絡，共同進行時間基準的建立和維持，向整個空間信息網絡提供時間基準服務。作為空間信息網絡時間同步體系的核心，骨干節點間應部署最高精度的時間同步手段。對于時間同步體系內的用戶節點來說，由于不具備高精度守時能力，也不參與空間信息網絡時間基準的建立，則是通過單向授時、共視、雙向比對等多種方式從骨干節點獲取時間同步信息，接入時間同步體系中[22]，多種方式的綜合運用可以滿足網絡異構多節點的特性需求。根據任務需要，不同類型的用戶節點可構成通信網、對地觀測網、空間試驗網等功能網絡，其節點通過時間同步鏈路構建局域的時間同步子網，子網內會形成統一的時間基準，并溯源到時間基準骨干網。

圖8 空間信息網絡時間同步體系Fig.8 Time synchronization system of spatial information network

空間信息網絡中異構多節點的特性決定了眾多節點對時間同步需求的差異性。采用最有效的時間同步手段，滿足節點的時間同步需求，是空間信息網絡時間同步體系設計需要關注的問題。空間信息網絡的時間同步業務特性主要分為以下3類：①從節點的任務屬性來說，根據時間同步精度的需求，采用不同的時間同步技術手段滿足其需要，同時根據節點的時間同步需求進行自治域劃分，實現網絡架構的簡化和資源的優化配置；②從節點的動態多樣性來說，由于不同類型節點時間同步過程中動態誤差的影響不同，所采用的補償策略也會有所區別；③從應用時效性來說，節點間時間同步業務可以分為實時性和非實時性兩類。實時性業務主要面向一些不具有較好守時能力的節點，要保持時間同步，需要提高時間同步的頻度，強調鐘差信息的實時獲取[23-24]。對于非實時業務，一種是裝備高穩定原子鐘的節點間時間同步，同步過程允許較長時延的存在，另一種是面向事后數據處理的時間同步業務，時間比對信息不應用于節點間時間同步，而用于觀測數據后期融合處理、事后精密鐘差產品生成、精密軌道外推等[25-26]。

2.2 空間信息網絡時間基準建立與時頻傳遞

原子鐘部署在空間平臺可獲得更好的精度和穩定性指標，基于高精度時間比對手段，連接空間信息網絡中天基和地基時間節點，聯合建立和維持綜合的時間基準，可以提供更為穩定精準可靠的面向空間網絡和地面用戶的時間基準服務。空間信息網絡時間基準的建立相比于地面時間基準，最大的區別在于空間節點具有較強的動態和時變特性。因此，在時間基準的建立過程中，對于加入時間基準綜合的空間節點，除了需要長期的穩定度評估能力，同時也應具有較快的節點篩選和分類能力，隨時對星鐘異常做出反應。按照抽象建模的方法，對空間信息網絡時間基準體系框架下的地基骨干節點、天基骨干節點、二級節點等，按照其原子時鐘的頻率穩定度、漂移特性、可用性等物理特性進行建模，得到各節點的準確參數估計，從而實現對各節點時鐘特性的科學描述和精準數學表達。

表2 主要時間傳遞手段統計Tab.2 Statistics of main time transfer methods

需要指出的是，空間信息網絡鏈路以通信鏈路為主，實現基于星間/星地通信鏈路的高精度時間傳遞，對于空間信息網絡時間基準體系構建和服務具有重要意義。基于星間鏈路進行時間比對數據傳輸，可以實現基于北斗的星間共視時間比對，通過對空間信息網絡時間節點的動態誤差精準補償，時間比對精度理論上可優于5 ns。圖9所示為使用GRACE兩顆低軌衛星星載GPS數據進行星間共視時間比對處理結果，誤差在±15 ns以內。

圖9 GRACE衛星星間共視時間比對測試結果Fig.9 Time synchronization test results of inter-satellite common view

筆者也設計了基于正交頻分調制信號(OFDM)的星間雙向時間比對體制，研制了原理樣機，并開展了外場實驗，試驗結果如圖10所示。測試時間比對標準差為11 ns。基于通信測量一體化鏈路進行高精度時間傳遞將是未來空間信息網絡時間基準傳遞的主要技術途徑。

圖10 基于OFDM通信測量一體化系統的時間同步測試結果Fig.10 Time synchronization test results of OFDM communication and measurement integration system

3 結 論

針對我國目前無法在全球范圍內均勻地布設地面跟蹤站這一現狀，本文提出了綜合利用我國境內少量地面基準站和高中低軌衛星星座，共同建立和維持我國空間信息網絡高精度時空基準的方法。核心思路是，利用少量地面控制源和LEO衛星節點，與GNSS導航衛星節點共同構成一個高動態多層次的骨干網絡，實現骨干節點的高精度軌道確定和高性能的時間同步。空間信息網絡內其他節點則通過骨干網節點的軌道信息和時間傳遞，實現整網時空基準的統一。充分利用網絡中動態分布的LEO衛星節點，彌補了境內少量地面跟蹤站網在幾何分布上的不足，實現了安全可靠的空間信息網絡時空基準確定。

在空間基準建立方面，通過聯合導航衛星、LEO骨干節點和地基骨干節點平差確定導航衛星的精密軌道。與目前主要依靠地面站的導航衛星定軌方法相比，該方法的優勢在于，利用LEO平臺快速移動的特性，減少了對大量地面站的依賴。該方法只需要使用幾個區域地面控制源和幾顆LEO衛星，即可實現5～7 cm的定軌精度，與目前使用上百個地面站觀測值進行定軌的精度相當。另外，使用聯合定軌產生的星歷可以用于解算接入節點的精密空間位置，精度在10 cm左右。

針對時間基準的建立，本文探討了空間信息網絡的動態、多層和異構多節點特性，基于部署于地面及高中低軌各個層面骨干節點上的高性能原子鐘組，利用其高精度時間分發能力，提出了面向時間同步業務的空間信息網絡分層自治方法。基于多種星間星地鏈路通過單向雙向時間比對和時間傳遞，構建更堅韌的空間信息網時間基準體系。同時，在時間同步業務方面考慮和通信業務的融合，開展了相關的體制設計和原理樣機試驗，驗證了利用OFDM信號進行高精度時間同步的可能性，對于空間信息網絡時間基準體系的構建和服務具有重要意義。

本文提出的基于境內少量地面控制源的空間信息網時空基準確定方法，充分考慮了靜態和動態跟蹤相結合，由境內地面跟蹤站的坐標速度更新和高中低軌衛星的實時精密定軌來共同維持星地一體化的動態空間基準。利用骨干節點間彼此高精度的時間比對，構成空間信息網絡的時間基準骨干網，向整個空間信息網絡提供時間基準服務。這種方法不僅具有精度高、動態性強的優點，而且可以大大降低對地面基準站的數量和分布要求，減少對地面網的依賴和有效降低空天信息網的安全風險。