導航衛星可用性提升設計與實現

李美紅 楊慧 袁莉芳 馬利 周靜 劉新

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛星導航系統需要全天候24 h不間斷地對廣大用戶提供高精度的導航服務，系統運行可用性要求高，單星信號可用性指標一般大于0.98[1-2]，如何有效、高效地維持并穩步提升空間段的可用性成為衛星系統的設計重點。

目前，國內外很多機構和學者對導航系統的可用性，尤其是星座或單星可用性進行了大量研究，但已有研究內容主要是圍繞星座或單星可用性的評估方法和模型[3-4]，對于提升單星可用性的衛星設計研究較少。

影響單星可用性的因素主要為中斷。中斷可以分為計劃內中斷和非計劃中斷。計劃內中斷主要包括軌道維持、漂星、軟件重構等；非計劃中斷主要是衛星異常引起的中斷。

軌道維持是引起計劃內中斷的主要因素，導航衛星軌控后需要積累軌道測量數據，生成精密的軌道星歷，每次軌道維持將導致單星不可用時間約6～8 h。相比導航中地球軌道(MEO)和傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星，地球靜止軌道(GEO)衛星軌道維持引起的計劃內中斷頻率相對較高，成為制約導航GEO可用性提升的主要因素。然而，國外全球定位系統(GPS)、全球導航衛星系統(GLONASS)、伽利略系統(Galileo)衛星均為MEO衛星，軌控中斷頻率較低；國外其他GEO衛星也主要是用于通信或導航增強，軌控后不需要積累精密軌道數據，衛星很快可用。因此減少導航GEO衛星的軌控中斷頻次，是提升導航GEO衛星可用性的重要途徑之一。

漂星是引起計劃內中斷的另一個因素。已有的漂星策略主要考慮了工程燃料、頻率、安全約束[5]，可以滿足任務的實施，但是在策略的制定上尚未充分利用攝動漂移環特點，以最大程度減少中斷對服務的影響。

衛星異常是引起非計劃中斷的主要因素，由于受空間環境的影響，衛星在軌異常引起的非計劃中斷時有發生，異常的協同快速處置成為可用性提升的另一個重要方向。國外導航衛星在軌運行管理一般由一個部門統一負責，即衛星的工程管理和任務管理責任歸一，異常處置效率較高。對于我國的北斗衛星導航系統，整個系統的運行管理是由運控系統、測控系統、星間管控系統和衛星系統多方協同完成的，運控系統負責系統的任務管理，測控系統負責系統的工程管理，星間管控系統負責系統的星間業務的管理，衛星系統則負責為運控、測控、星間管控系統提供技術支持服務。異常處置時，由于需要協同多方，處置效率低，為此需從技術層面上提出異常處置方法，最大限度地減少異常處置的中間環節。

本文針對影響衛星可用性的中斷特點，圍繞“如何從根本上減少中斷頻次，延長中斷間隔周期；中斷無法規避時，對中斷如何快速處置，縮短中斷時間”總思路開展設計，提出了一種降低GEO軌控中斷頻次的系統方法，優化設計了中斷最短的漂星策略，建立了異常中斷處置原則，可以有效縮小中斷時間、提升導航系統可用性。所提方法在工程實際中已成功應用。

1 GEO軌控中斷頻次的降低設計

針對導航GEO衛星軌控頻繁，通過優化GEO軌道參數設計或軌控策略，減少軌控次數是降低單星計劃內不可用時間的有效手段之一。包括南北保持頻次降低設計和東西保持間隔延長設計。

1.1 GEO南北保持頻次降低方法

南北保持是通過軌道傾角控制將衛星緯度控制在用戶要求的范圍內。為了盡可能降低GEO南北保持中斷頻次，考慮到GEO軌道傾角攝動特點，提出對導航GEO衛星軌道傾角進行一定的偏置策略，同時對目標軌道的升交點赤經進行合理確定的聯合優化設計，將衛星首次南北保持的時間延長為6年以上，使得衛星整個壽命期間的南北控制次數大幅減少，大大提高系統的可用性。具體步驟如下。

1)根據用戶服務需求和工程系統約束，論證確定GEO軌道傾角的大小

對GEO衛星軌道傾角大小的約束主要包括系統服務指標要求和地面站天線跟蹤范圍約束。導航衛星具有基本導航、功率增強、報文通信等多種服務。根據用戶服務要求，遍歷分析不同傾角時，對系統服務的影響，從而確定傾角的大小范圍。同時根據地面運控系統天線的跟蹤范圍指標，分析不同傾角地面天線的俯仰角、方位角以及跟蹤速度，給出地面跟蹤系統允許的傾角范圍。根據上述約束，可以確定GEO傾角的最大值。

2)根據軌道傾角攝動特點，確定軌道的目標升交點赤經

GEO衛星軌道傾角攝動與定點初始的升交點赤經密切相關。一般升交點赤經在0～180°時，傾角呈增大趨勢，傾角漂出控制范圍的時間較快；升交點赤經在180°～360°時，傾角呈先減小后增大的趨勢，漂出控制范圍的時間較慢，對該范圍的升交點赤經進行遍歷，可以得到傾角漂出控制范圍最長的目標升交點赤經。圖1是固定初始傾角為3°時，利用STK軟件對不同升交點赤經(220°～320°)的傾角攝動變化進行仿真，并以極坐標(i,Ω)的形式進行表示，其中ix=icosΩ，iy=isinΩ，ix、iy為傾角矢量在赤道慣性坐標系的赤道平面內的投影，Ω為軌道升交點赤經。i為傾角矢量的大小，定義其大小為軌道傾角，方向與軌道法向相同。

注：圖中紅色曲線表示初始升交點赤經為220°～320°對應的傾角攝動，藍色曲線表示目標升交點赤經為290°時的傾角攝動。數字3代表該虛線圓對應的傾角大小為3°，數字6代表該虛線圓對應的傾角大小為6°。

上述優化確定的軌道傾角和升交點赤經，可作為衛星定點的初始目標軌道，有效降低南北保持頻率。

1.2 GEO東西保持間隔延長方法

GEO東西軌道保持是為了將衛星控制在定點位置附近一定的經度范圍內。

導航GEO衛星在軌運行期間，影響東西軌道保持周期的主要因素包括：衛星定點位置、動量輪卸載對控制周期要求、共位要求對東西保持的約束等。由于軌道攝動影響，GEO不同定點位置的位置漂移速度不同。靠近平衡位置衛星定點位置漂移速度慢，遠離平衡位置衛星定點位置漂移速度快。衛星定點后，東西保持環越寬，東西保持周期越長。這是GEO軌道固有特性，外因無法干預。因此主要針對動量輪卸載和共位策略對軌控周期的影響開展分析設計。

1)共位策略的選擇設計

采取不同的共位策略對衛星的軌控周期影響不同。

經度隔離策略如圖2所示，通常為多顆共位星共同劃分一個經度漂移環，單顆共位星所占的漂移環寬度將減小，因此其東西軌控周期一般較短，不適合導航衛星的共位。

圖2 經度隔離策略

為減少共位引起的軌控中斷，導航衛星共位策略設計時充分利用導航衛星傾角預偏置且攝動規律預知的特點，通過對偏心率矢量差大小和方向進行匹配設置，使得傾角矢量差與偏心率矢量差平行或反平行，且使傾角矢量差與偏心率矢量差大小滿足一定的約束，即可實現偏心率聯合傾角隔離策略。

(1)

(2)

wi=we,或wi=we+π

(3)

式中：定義偏心率矢量e，方向指向近地點。ex、ey為偏心率矢量e在赤道慣性坐標系的赤道平面內的投影，w為軌道近地點幅角。δe為共位雙星的偏心率矢量差幅值，δi為共位雙星的軌道傾角矢量差幅值，δa為共位雙星的半長軸差，as為靜止軌道半長軸(as=42 164.2 km)，dmin為最小隔離安全距離，we為偏心率矢量差J2000坐標相位幅角，wi為傾角矢量差J2000坐標相位幅角,Ω為軌道升交點赤經。

假設雙星最小隔離距離要求達到10 km，雙星東西環基本相等時工程上一般δa≤3 km，則偏心率和傾角矢量差滿足：δe≥3×10-4，δi≥0.013 6°，wi=we,或wi=we+π。

相比經度隔離策略，每顆共位星的經度漂移環大小不會縮減，東西軌控周期一般較長。下面以定點在110.5°E衛星為例說明，雙星采取偏心率聯合傾角隔離策略時，軌控周期約為28天；雙星采取經度隔離策略時，漂移環半寬減為0.05°，軌控周期約為14天。

2)反作用輪卸載的設計

導航GEO衛星是三軸穩定衛星，工作軌道正常模式下采用4個動量輪進行衛星姿態控制。由于動量輪會在軌吸收太陽光壓干擾力矩，導致動量輪轉速增加，轉速飽和后，動量輪就無法進行姿態控制，此時需要對動量輪進行卸載。當反作用輪需要卸載時，選用磁力矩器作為卸載執行機構或者利用軌道維持時產生的力矩對反作用輪進行卸載，避免輪子卸載對軌道產生影響。

例如，某導航衛星系統設計時，在設備資源有限條件下，為最大程度減少軌控中斷次數，在東西保持時同時對輪子進行卸載。若設備資源充足時，可通過磁力矩器無噴氣卸載方式進行卸載，從根本上打破了動量輪卸載對東西軌控的制約。目前在軌均未出現因反作用輪卸載引起的軌控中斷。

反作用輪噴氣卸載間隔取決于衛星所受太陽光壓的大小和飛輪組的三軸角動量容量。例如某三輪控衛星，假定反作用輪轉速卸載檻值為5100 rad/min，在太陽光壓作用下，衛星角動量日變化情況如表1所示，其中X、Z軸角動量為正、負交替變化，變化幅值逐漸增大，Y軸角動量則振蕩增加，Y軸角動量是限制輪子卸載間隔的主要因素。表2給出不同卸載周期下衛星的角動量情況，可以看出反作用輪卸載周期為30天以上，可滿足與東西位保控制(25～30天)同步進行的要求。

表1 衛星角動量日變化情況

表2 不同卸載周期下衛星角動量變化情況

2 中斷最短的漂星策略優化設計

在衛星系統平穩過渡期間或衛星失效替換時，存在漂星操作。漂星期間衛星將置為不可用。

主要危害酸櫻桃的新梢。病菌刺激枝條上的不定芽，大量萌發成小枝，并在這些小枝上再萌發出次生小枝，使病枝呈簇生狀。病枝葉片背面生有灰白色粉狀物，病枝可存活數年，但不能開花結果。

影響漂星時間的因素是漂星經度范圍和漂星速度。其中漂星速度與衛星半長軸的抬高或降低量密切相關，漂星速度越快需要消耗推進劑越多。因此在假定漂星速度不變的情況下，從漂星經度范圍上優化。

考慮衛星在軌運行期間以標稱定點位置或交點位置為中心，在一定寬度的漂移環內運行。目前在漂星策略的制定上主要以定點中心位置為設計目標，該策略可以滿足任務的實施。但是在策略的制定上尚未充分利用在軌運行特點，以最大程度減少中斷對服務的影響，為此提出基于在軌軌道攝動特性的中斷最短漂星策略優化，如圖3所示，紅線為優化前策略示意，藍線為優化后策略示意，具體優化內容如下：

注：圖中λ為衛星經度，Δλ為衛星經度相對標稱定點位置的偏差，Δa為衛星軌道半長軸相對標稱半長軸的偏差。

(1)啟漂時衛星可以在距離目標較近的位置開始，減少漂移的經度；

(2)剎車時可以根據漂移環設計，在考慮軌控誤差精度的情況下，選擇合適的剎車位置和軌道高度，確保控后衛星的參數按最大漂移環運行，避免漂星后衛星很快就需要軌控中斷。

3 衛星異常中斷的分級處置設計

衛星異常是引起非計劃中斷的主要因素之一。相比單星以及其他衛星,導航系統的衛星在軌異常處置存在如下特點[7]：重復輕度異常占異常總數的98%以上；影響用戶使用的異常基本都需要運控方、衛星方、測控方協同處置；異常處置的中間環節是影響衛星處置效率的一個主要因素。

針對上述中斷特點，為提高異常處置效率,盡量縮短非計劃中斷造成的單星不可用時間，綜合考慮異常對衛星安全及服務性能的影響,異常處置的風險，異常發生的概率等因素，提出了異常分級分類處置方法，最大限度地減少異常處置的中間環節,提高處置效率，減少中斷時間。

異常處置分類等級如下。

(2)2級異常處置：衛星通過業務數據判斷的重復性異常，一般為運控系統通過業務數據發現的載荷重復、輕度異常。由衛星設計師提前將簽署好的指令單存放于運管中心。運管中心發現或運控系統通報運管中心故障后，根據已形成的異常處置表格，判斷故障處置策略，并直接將對應的處置指令單傳真發給測控方處置，之后通知設計師。該類異常約占異常總數的93%。

(3)3級異常處置：具有故障預案的非重復性、輕度異常，一般為載荷出現的非2級故障。由衛星設計師提前準備好指令單，運管中心接收到異常報警后先通知設計師確認故障，并經設計師確認后，將對應的指令單傳真發給測控方處置。該類異常發生概率較低，處置程序復雜，占異常總數的1%以內。

(4)4級異常處置：除1、2、3級故障以外的其他故障，一般為新增的非緊急異常。該類異常占異常總數的1%以內。

異常處置分級優化之前，除影響衛星安全的緊急異常外，1、2、3級故障全部按照4級故障處置，故障處置鏈條長、處置時間長，帶來的單星不可用影響大；優化異常處置流程后，占比98%的1級、2級故障授權值班人員直接處置，占比2%的3級、4級故障由設計師確認后處置，可最大限度地減少異常處置的中間環節，提高異常處置效率，降低異常導致的單星不可用影響。

4 在軌應用及建議

4.1 在軌應用

圍繞影響衛星可用性的中斷，從衛星初始設計到衛星在軌穩定運行開展了全生命周期的系統優化設計，包括衛星的軌道參數設計、在軌軌道維持策略、漂星策略、共位策略的優化，異常處置的分級設計等，并在北斗系統上成功應用驗證。

利用全球連續監測評估系統(IGMAS)2020年1月1日至6月30日期間的導航電文數據，評估了北斗三號衛星B1I/B3I信號的空間信號可用性，結果如圖4所示[8]。從圖4中可以看出，采取上述系統優化設計后，北斗所有衛星空間信號可用性平均優于0.994 4，滿足0.98的系統指標要求。可以看到編號PRN59衛星的空間信號可用性較低，這是由于該星在統計期間開展了較長時間的在軌試驗。

圖4 空間信號可用性

下面給出部分設計的在軌應用示例。

1)GEO南北位置保持降低軌控中斷頻次的應用

以某在軌衛星為例，假定系統服務和地面系統允許的傾角范圍為3°,根據傾角攝動分析給出了初始升交點赤經在220°～320°之間變化時對應的衛星整個壽命期間的傾角攝動情況。不同初始升交點赤經對應的不控傾角的時長見表3。由表3可知，當初始升交點赤經為290°～300°時，衛星不做南北保持的時間較長，均可達到6年5個月。因此通過衛星傾角和升交點赤經的優化選擇，可使衛星在軌初期的6年5個月內不需要進行南北保持，有效減少壽命期內南北控制中斷。

表3 不控傾角時長

2)漂星策略應用

漂星優化策略在系統平穩過渡實施中得以驗證，相比之前瞄準中心定點位置和軌道高度的方法，優化后的策略在漂星經度范圍上減少了2個漂移半環寬度，按1°/d的漂星速度，單顆IGSO漂星不可用時間降低了41%，距離下次軌控的時間間隔延長2～4倍。

3)異常中斷分級處置應用

根據異常的分類原則優化異常處置，占比約98%的異常得到了快速處置；實現了境內空間段異常處置時間從超過2 h縮減到約30 min，減少了非計劃中斷時間，有效提升了系統的可用性。

4.2 后續建議

在近期的運行評估中發現，計劃內中斷和境內非計劃中斷已大幅縮短，而境外非計劃中斷逐漸凸顯，成為后續可用性提升的一個重要方向。針對境外異常，平臺類異常均可按第4節處置流程，通過星間鏈路得到快速處置。但境外業務異常由于運控系統在境外缺少地面信號監測確認手段，存在衛星異常已恢復但地面無法監測信號進行恢復確認的情況，造成境外非計劃中段時間較長，后續設想通過衛星星上自主完好性的信號監測能力，為運控系統的恢復確認提供輸入依據，縮短境外衛星異常的處置時間。

5 結束語

導航衛星可用性是系統的重要性能指標，其提升工作也是導航系統長期穩定運行的重要方向。針對影響衛星可用性的中斷，本文從降低中斷頻次、縮短中斷處置時間開展了系統優化設計，有效縮減了中斷時間，實現了導航系統可用性的大幅提升，為北斗系統的穩定運行提供了有力的技術保障。后續針對境外非計劃中斷，可通過加強衛星星上自主完好性的信號監測能力，為運控系統的恢復確認提供輸入依據，以縮短境外衛星異常的非計劃中斷時長。