CAPS昆明測定軌站*1

張建華，陳　亮

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明　650011; 2. 中國科學(xué)院國家授時中心，陜西 西安　710600)

?

CAPS昆明測定軌站*1

張建華1，陳亮2

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明650011; 2. 中國科學(xué)院國家授時中心，陜西 西安710600)

摘要：基于衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞技術(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌技術(shù)，可精確地測定地面站到衛(wèi)星間的距離，并能實現(xiàn)各站間高精度時間同步。中國區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System, CAPS)按國內(nèi)最佳布局建立了VSAT(小口徑終端)轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星地面測定軌網(wǎng)，昆明衛(wèi)星地面站是中國區(qū)域定位系統(tǒng)衛(wèi)星測定軌網(wǎng)的重要組成部分之一。昆明衛(wèi)星地面站的儀器頻率全部由高精度原子鐘提供，儀器參數(shù)可以設(shè)定，儀器時延能夠?qū)崟r精確地測定，是一個全自動的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星地面站，為中國區(qū)域定位系統(tǒng)高精度衛(wèi)星測定軌提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌；衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞；昆明衛(wèi)星地面站

目前國際上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)格洛納斯(Global Navigation Satellite System, GLONASS)及中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成和工作原理基本相近[1]：衛(wèi)星裝備高精度的原子鐘發(fā)射帶有時間信息和衛(wèi)星位置導(dǎo)航信息的擴頻碼，當(dāng)接收機接收到多于4顆衛(wèi)星的信號，便可確定接收機的三維位置和接收機鐘差。導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星精密軌道均由接收衛(wèi)星時鐘信號與接收機時鐘的時差確定，顯然衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中最基本的是精確的系統(tǒng)時間。

中國區(qū)域定位系統(tǒng)是新穎的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)主體部分在地面，其導(dǎo)航信號發(fā)射在地面，空間部分僅租用地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)通信衛(wèi)星；通過地球同步軌道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航信息和信號[2]。地球同步軌道衛(wèi)星最大的優(yōu)點是覆蓋性能好，特別適用于區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，日本和印度的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)均采用地球同步軌道衛(wèi)星。但是，這類衛(wèi)星相對于地面運動小[3]，儀器系統(tǒng)誤差難于分離，致使地球同步軌道通信衛(wèi)星的精密定軌有相當(dāng)大的難度。國家授時中心發(fā)明的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌方法[3]，其信號發(fā)射和接收均在地面，儀器觀測系統(tǒng)誤差可以在地面實時確定，解決了地球同步軌道衛(wèi)星精密定軌的難題；本方法最大的優(yōu)點是衛(wèi)星軌道與時間的確定相互獨立，大大提高了衛(wèi)星定軌精度。

1轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌方法

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌方法如圖1。各地面站利用高精度的原子鐘發(fā)射時間信號，發(fā)射的時間信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，各地面站能接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的所有站發(fā)射的時間信號，碼分多址技術(shù)使多個站同時用同一頻率向同一顆衛(wèi)星發(fā)射各自的時間信號而互不干擾[3]，根據(jù)需要接收信號可以進行不同組合(圖1)，因此，轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌方法可以有多種模式進行衛(wèi)星測定軌：

(1)自發(fā)自收模式

由i站(各站相同)向衛(wèi)星發(fā)射測距信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，仍由i站接收，確定測距信號往返路徑的時差。在該模式下，對測定軌站時間同步的精度要求不高，各站時間同步誤差主要影響衛(wèi)星觀測量的時標(biāo)[3]。

(2)一發(fā)多收模式

只有一個站發(fā)射上行信號，其他各站只接收該站信號，用一發(fā)多收技術(shù)進行衛(wèi)星測定軌，精度在很大程度上取決于主站和分站間的原子鐘同步精度，這種工作模式特別適用于上行點波束的情況。

(3)多發(fā)一收模式

所有站發(fā)射上行信號，只有主站接收其他各站信號，用多發(fā)一收技術(shù)進行衛(wèi)星測定軌，主站和分站間的原子鐘同步的精度是關(guān)鍵，這種工作模式特別適用于下行點波束的情況，接收數(shù)據(jù)僅在主站，避免大容量數(shù)據(jù)傳輸困難。

(4)成對觀測模式

每2個站組成一組，各自接收對方站的時間信號，由于對稱性觀測，2個觀測量相加消除兩站鐘差的影響，相當(dāng)于衛(wèi)星在這兩站為焦點的橢球上，對衛(wèi)星約束更好，每個站有N個獨立觀測量，N個站系統(tǒng)總共有N×N個獨立觀測量，相當(dāng)于N個全球定位系統(tǒng)同時進行冗余測定軌，提高測定軌精度。

2昆明站轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌系統(tǒng)

昆明站是中國區(qū)域定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌的主要站之一，它的系統(tǒng)配置和其他測軌站完全一樣：小口徑終端衛(wèi)星地面站、高精度時間系統(tǒng)、地面站終端、地面站時延校正系統(tǒng)、自動氣象站及自動監(jiān)控等系統(tǒng)組成(圖2)。

圖2轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌方框圖

Fig.2Diagram of Satellite Orbit Determination by Transfer

昆明站有5 m、3.7 m口徑拋物面天線，每架天線均有信號收發(fā)功能，其收發(fā)隔離度優(yōu)于40 dB。昆明站衛(wèi)星測定軌系統(tǒng)發(fā)射上行信號，經(jīng)天線發(fā)射到衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)此信號，地面站接收轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號。上、下行載波信號工作頻率在C波段(4 G/6 G)，計算機控制調(diào)制解調(diào)器信號發(fā)射/接收功能，同時同步接收氣象、微波輻射計及其他傳感器數(shù)據(jù)。

高精度時間系統(tǒng)：測軌觀測時間系統(tǒng)的核心是高精度的原子鐘，它產(chǎn)生高精度的時間及頻率。昆明站采用全球定位系統(tǒng)的1 pps與原子鐘的1 pps通過計數(shù)器相互比對，使本地原子鐘的時間與協(xié)調(diào)世界時(UTC)時間之間實現(xiàn)初同步，校正原子鐘的1 pps與協(xié)調(diào)世界時間同步在幾十納秒之內(nèi)，每次觀測前需要重復(fù)同步過程，通過系統(tǒng)本身時間傳遞功能，測定軌系統(tǒng)與站內(nèi)的時間系統(tǒng)實現(xiàn)嚴(yán)格同步，觀測中所有指令由工控機按規(guī)定程序自動完成，站內(nèi)測定軌的時間與主控站的時間在實現(xiàn)測定軌的同時實現(xiàn)時間同步。

地面站終端調(diào)制解調(diào)器(衛(wèi)星時間距離測量設(shè)備: Satellite Time and Rang Equipment, SATRE)具有發(fā)射時間擴頻信號和接收功能。該終端是中國區(qū)域定位系統(tǒng)衛(wèi)星測定軌系統(tǒng)的關(guān)鍵，用于測量各地面觀測站到衛(wèi)星的偽距。衛(wèi)星時間距離測量設(shè)備包括發(fā)射通道和多個接收通道，利用偽碼擴頻技術(shù)各站同時向衛(wèi)星發(fā)射各自不同偽碼的時間信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，各地面站接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，MODEM測量整個路徑上的時延。

衛(wèi)星時間距離測量設(shè)備接收終端在發(fā)射通道(TX 1PPS)產(chǎn)生一個偽噪聲調(diào)制信號，它包含已知的偽碼, 產(chǎn)生的信號調(diào)制到射頻載波為上行信號發(fā)射到衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，信號經(jīng)過通信路徑成為下行信號，被衛(wèi)星時間距離測量設(shè)備接收機在正確的頻率、正確的偽碼接收(產(chǎn)生RX 1PPS)，該時延通過計數(shù)器測量，原子鐘為計數(shù)器提供參考頻率，地面站接收機收到信號，讀出計數(shù)器數(shù)據(jù)，從而完成路徑時延測量，實際的測量過程連續(xù)進行。

地面站時延校正系統(tǒng)尤如激光測距的地靶，測定相對于參考點的時延，在系統(tǒng)設(shè)計時考慮到儀器時延受溫度影響，關(guān)鍵部位均有恒溫設(shè)計，盡管采取特別恒溫設(shè)計，為避免因儀器狀態(tài)不一致引起儀器系統(tǒng)差的變化，專門設(shè)計地面站時延校正系統(tǒng)，每小時實時測定儀器的系統(tǒng)誤差，時延校正測量的功率及其他狀態(tài)和衛(wèi)星測距狀態(tài)完全一致。實時測定儀器系統(tǒng)有相當(dāng)高的測量精度，圖3是典型的測定昆明站儀器的樣本，一般測量精度優(yōu)于0.02 ns，相當(dāng)于測定誤差在6 mm之內(nèi)。

圖3典型的昆明站測定儀器誤差效果

Fig.3A Typical Measurement of Instrumental System Error at Kunming Station

昆明衛(wèi)星測定軌站有自動監(jiān)控系統(tǒng)，對所有設(shè)備進行設(shè)置并實時監(jiān)控。儀器一旦設(shè)置后實現(xiàn)全自動觀測：天線自動跟蹤衛(wèi)星、采集衛(wèi)星測定軌系統(tǒng)的測軌數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，空間環(huán)境，自動氣象站氣象數(shù)據(jù)及電離層改正數(shù)據(jù)，采集衛(wèi)星地面站的時間同步數(shù)據(jù)以及地面站系統(tǒng)誤差的自校準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)通過專用網(wǎng)絡(luò)傳送給主站進行軌道計算。

3衛(wèi)星雙向時間傳遞

衛(wèi)星雙向時間傳遞是目前國際上最高的時間比對技術(shù)之一，轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌系統(tǒng)本身具有衛(wèi)星雙向時間傳遞功能[4]。衛(wèi)星雙向時間傳遞原理：有A、B兩站，A站和B站處于同等地位，A站主鐘秒信號經(jīng)終端調(diào)制后發(fā)送給衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給B站，B站解調(diào)來自A站的秒信號，用時間間隔計數(shù)器測定接收秒信號與B站主鐘秒信號之間的時間差，B站過程與A站一樣，因時間信號通過的路徑相同，得到高精度的時間比對結(jié)果，同時A站和B站有時間間隔計數(shù)器每秒測定各自終端引起的時延。兩站由于對稱性，路徑的影響基本上可以抵消。

高精度的原子鐘是測定軌站觀測的時間標(biāo)準(zhǔn)，依托全球定位系統(tǒng)時間實現(xiàn)主站與分站時間粗同步，分站內(nèi)測定軌設(shè)備的時間與主控站的時間在實現(xiàn)測定軌的同時實現(xiàn)時間高精度同步。

4衛(wèi)星地面站測定軌系統(tǒng)特點

借助地面高精度原子鐘(比星載原子鐘穩(wěn)定度高2個量級)，利用偽碼正交性，各個站以碼分多址的方式向同一顆衛(wèi)星以相同的頻率上傳信號，每一個衛(wèi)星地面站上傳的信號相當(dāng)于一顆全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射的信號，這相當(dāng)于N個全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的信號。用很高速率的偽碼測距(比全球定位系統(tǒng)精碼速率高)，有很高的測量精度，測距內(nèi)部精度優(yōu)于1 cm。測距信號生成和信號測量均在地面站進行，儀器發(fā)射系統(tǒng)誤差和接收系統(tǒng)誤差通過設(shè)計的儀器自校準(zhǔn)系統(tǒng)進行實時校準(zhǔn)，單次測定儀器誤差的精度優(yōu)于6 mm，原則上觀測結(jié)果消除了儀器誤差的影響[5]，原理上時間比對和衛(wèi)星測定軌互不影響，擴頻增益大，需要的發(fā)射功率低，低于強信號23 dB情況下仍可正常工作，可在寄生情況下工作。

基于上述優(yōu)點，轉(zhuǎn)發(fā)式測定軌能實現(xiàn)高精度的測定軌，得到很高的衛(wèi)星軌道精度[6]，一般情況下衛(wèi)星定軌殘差優(yōu)于10 cm。

5昆明站運行情況

昆明站在2014年及2015年初進行了設(shè)備的升級改造，并配備了新銫鐘作為系統(tǒng)的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)(銫鐘型號為OSA3235B，其準(zhǔn)確度優(yōu)于± 1 × 10-12，日穩(wěn)定度≤ 2.7 × 10-13)。目前昆明站設(shè)備狀態(tài)良好，工作正常。圖4是2015年下半年昆明站觀測情況的統(tǒng)計。

昆明站在2015年共完成了8顆地球同步軌道通訊衛(wèi)星的觀測任務(wù)，其中5顆衛(wèi)星屬于常規(guī)觀測，3顆衛(wèi)星為臨時觀測任務(wù)。昆明站在保證常規(guī)觀測任務(wù)順利進行的情況下，圓滿完成臨時觀測任務(wù)。

圖4昆明站2015年觀測情況統(tǒng)計

Fig.4Observation statistics of Kunming station in 2015

由于昆明站的地理優(yōu)勢，在衛(wèi)星觀測上有特殊地位，特別是傾斜軌道衛(wèi)星，能實現(xiàn)衛(wèi)星全弧段觀測，圖5是2015年6月17日昆明站對某地球同步軌道通訊衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的定軌殘差，可以得出昆明站轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌系統(tǒng)有相當(dāng)高的觀測精度。

圖5昆明站2015年6月17日觀測數(shù)據(jù)的定軌殘差

Fig.5Orbit determination residuals of observational data obtained by Kunming station on June 17, 2015

6結(jié)束語

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌方法具有高精度測軌性能，它具有自校準(zhǔn)系統(tǒng)，特別適用地球同步軌道衛(wèi)星的觀測[7]。

昆明站中國區(qū)域定位系統(tǒng)特點：

(1)測距≤10 mm，采樣間隔為1 s；

(2)全天時、全天候、實時、簡單、無人值守、儀器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠；

(3)配備有銫原子鐘，時間同步精度優(yōu)于1 ns。

昆明站與國家授時中心在轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測定軌項目中協(xié)同工作，原子鐘1 pps與協(xié)調(diào)世界時間同步精度優(yōu)于1 ns，協(xié)同整個衛(wèi)星測定軌系統(tǒng)完成各階段的聯(lián)測、常規(guī)觀測及各項任務(wù)，顯然昆明站特殊的地理位置，是中國區(qū)域定位系統(tǒng)國內(nèi)布局不可或缺的衛(wèi)星測軌站。

參考文獻：

[1]Ai Guoxiang, Shi Huli, Wu Haitao, et al. A positioning system based on communication satellites and the Chinese Area Positioning System (CAPS) [J]. Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics, 2008, 8(6): 611-630.

[2]余宜珂, 王萌. 基于CAPS系統(tǒng)的信號調(diào)制方式的比較研究[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2014, 11(3): 224-229.

Yu Yike, Wang Meng. Comparitive studies of signal-modulation methods based on the CAPS[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2014, 11(3): 224-229.

[3]李志剛, 艾國祥, 施滸立, 等. 轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測定軌方法: 中國, 200310102197.1[P]. 2003-12-30.

[4]杜曉輝, 施滸立, 張麗榮, 等. 一種轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星授時新方法[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2012, 9(1): 34-38.Du Xiaohui, Shi Huli, Zhang Lirong, et al. Study of a forwarding approach of satellite time service[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2012, 9(1): 34-38.

[5]施滸立, 孫希延, 李志剛. 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009.

[6]李志剛, 喬榮川, 馮初剛. 衛(wèi)星雙向法與衛(wèi)星測距[J].飛行器測控學(xué)報, 2006, 25(3): 1-6.

Li Zhigang, Qiao Rongchuan, Feng Chugang. Two Way Satellite Time Transfer (TWSTT) and satellite ranging[J]. Journal of Spacecraft TT & C Technology, 2006, 25(3): 1-6.

[7]Yang Xuhai, Li Zhigang, Feng Chugang. Methods of rapid orbit forecasting after maneuvers for geostationary satellites[J]. Science in China Series G: Physics, Mechanics and Astronomy, 2009, 52(3): 333-338.

*收稿日期：2015-12-21；

修訂日期：2016-01-22

作者簡介：張建華，男，工程師. 研究方向：衛(wèi)星精密測定軌. Email: zjh@ynao.ac.cn 通訊作者：陳亮，男，高級工程師. 研究方向：衛(wèi)星精密測定軌. Email: chenl@ntsc.ac.cn

中圖分類號：P128.4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)03-0340-05

Kunming Satellite Orbit Determination Station for Chinese Area Position System (CAPS)

Zhang Jianhua1, Chen Liang2

(1. Yunnam Observatories, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China, Email: zjh@ynao.ac.cn; 2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

Abstract:Determination of satellite orbit by transfer, based on the Two Way Satellite Time and Frequency Transfer, is implemented with the observations of multi-stations.The distances between a satellite and ground stations are determined. The net of ground stations with the VAST system is established for the CAPS project. Kunming station is one of them. The frequency of all equipments in Kunming is controlled by an atomic clock and all status can be set up as well as monitored. The time delay of instruments can be determined. It can carry out functions such as orbit determination and time synchronization at remote stations.

Key words:Satellite Orbit Determination by Transfer; Two Way Satellite Time and Frequency Transfer; Kunming Substation of Satellite Orbit Determination

CN 53-1189/PISSN 1672-7673