GEO衛(wèi)星GNSS導(dǎo)航在軌長(zhǎng)期性能驗(yàn)證與分析

李 冰，劉 蕾，王 猛

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 2.航天恒星科技有限公司,北京 100080)

GEO衛(wèi)星GNSS導(dǎo)航在軌長(zhǎng)期性能驗(yàn)證與分析

李 冰1，劉 蕾2，王 猛2

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 2.航天恒星科技有限公司,北京 100080)

為對(duì)地球靜止軌道(GEO)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)自主導(dǎo)航性能進(jìn)行驗(yàn)證，用通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)實(shí)際在軌工作數(shù)據(jù)，在我國(guó)首次對(duì)GNSS導(dǎo)航的長(zhǎng)期在軌性能進(jìn)行實(shí)測(cè)和試驗(yàn)，并對(duì)導(dǎo)航精度進(jìn)行評(píng)估。介紹了GEO上GNSS導(dǎo)航原理和通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)移段(GNSS天線未展開(kāi))和定點(diǎn)后GNSS天線展開(kāi)前后的導(dǎo)航性能試驗(yàn)。給出了轉(zhuǎn)移段GPS/GLONASS的可用星數(shù)、GNSS的位速解算結(jié)果，以及定點(diǎn)后GNSS天線展開(kāi)前后GNSS捕獲的星數(shù)與可用星數(shù)、位置精度因子和位速精度，并說(shuō)明了性能試驗(yàn)的有效性。結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)移段，在GNSS接收機(jī)在部分弧段可捕獲到導(dǎo)航星4顆以上，位速解算結(jié)果正確，且位速一致性好，GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)可用；定點(diǎn)后GEO上觀測(cè)到的GNSS星數(shù)量滿足自主導(dǎo)航使用要求，獲得的位速精度符合仿真預(yù)期，GNSS天線展開(kāi)后位置精度因子和位速精度明顯優(yōu)于展開(kāi)前。連續(xù)48 h數(shù)據(jù)獲得的實(shí)測(cè)位置精度優(yōu)于30 m，速度精度優(yōu)于0.05 m/s。本次在軌試驗(yàn)證明了GNSS用于GEO軌道衛(wèi)星是可行的，為我國(guó)高軌衛(wèi)星自主導(dǎo)航和在軌自主管理提供了重要支撐。

地球靜止軌道； 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)； 捕獲星數(shù)； 可用星數(shù)； 位置精度因子； 位置精度； 速度精度； 天線展開(kāi)

0 引言

GEO衛(wèi)星的軌道高度約36 000 km，可覆蓋地球超過(guò)三分之一的表面，該特點(diǎn)使GEO衛(wèi)星目前廣泛用于通信、導(dǎo)航和遙感等多個(gè)領(lǐng)域。早期GEO通信和遙感衛(wèi)星主要關(guān)注的是軌道監(jiān)控和天線定向等，百米級(jí)的定軌精度能滿足衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)對(duì)軌道精度的要求。但隨著GEO衛(wèi)星在資源、導(dǎo)航定位與授時(shí)、跟蹤與數(shù)據(jù)中繼等領(lǐng)域的作用不斷增強(qiáng)，對(duì)軌道自身的確定精度要求已越來(lái)越高，如通信衛(wèi)星的位置精度要求200～400 m，遙感衛(wèi)星200～400 m，歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星1 m，深空中繼站(ODSRS)2 m，美國(guó)TDRSS中繼衛(wèi)星優(yōu)于10 m[1-3]。

目前GEO衛(wèi)星測(cè)定軌技術(shù)主要有地基測(cè)距測(cè)角和天基測(cè)距測(cè)速兩大類。地基一般采用長(zhǎng)基線測(cè)距定軌方案，由多站測(cè)距完成。地基測(cè)量中包括測(cè)角跟蹤技術(shù)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)(VLBI)、短基線連接元干涉技術(shù)(CEI)等。天基測(cè)距測(cè)速技術(shù)主要包括GEO-LEO的衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤和星載GNSS[3]。上述兩類測(cè)定軌技術(shù)中，地基測(cè)量離不開(kāi)地面測(cè)距站的支持，所受的制約因素較多，如測(cè)距精度、頻率資源、星載測(cè)距設(shè)備、測(cè)距站布局等，其中對(duì)測(cè)距精度影響最大的是測(cè)距站的地理位置，即幾何精度因子(DOP)[4]。受客觀條件的制約，我國(guó)衛(wèi)星能選擇的測(cè)距站有限，很難獲得非常好的幾何精度因子。天基GEO-LEO也需依賴LEO衛(wèi)星實(shí)施對(duì)GEO衛(wèi)星的測(cè)定軌，同樣受到LEO衛(wèi)星使用的限制。針對(duì)GEO衛(wèi)星使用地基和天基測(cè)量都面臨制約因素多、造價(jià)高、外部依賴性大的問(wèn)題，國(guó)際上提出了將LEO衛(wèi)星上已成熟應(yīng)用的GNSS導(dǎo)航技術(shù)(三軸位置精度(1σ)可優(yōu)于10 m，三軸速度精度(1σ)可優(yōu)于0.05 m/s)發(fā)展演變用于GEO衛(wèi)星的解決方案。該方案可脫離地基、天基測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)GEO衛(wèi)星自身攜帶的GNSS導(dǎo)航接收機(jī)接收導(dǎo)航信號(hào)即可完成在軌自主導(dǎo)航，具造價(jià)低、使用方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際上GEO衛(wèi)星自主導(dǎo)航技術(shù)的主流。

LEO衛(wèi)星因軌道高度在3 000 km及其以下范圍，遠(yuǎn)低于MEO軌道導(dǎo)航星的軌道高度，因此LEO衛(wèi)星通過(guò)對(duì)天面天線接收導(dǎo)航信號(hào)的條件好，可自主完成高精度測(cè)定軌，軌道高度1 340 km的Topex/Poseidon海洋衛(wèi)星利用星載GPS接收機(jī)的徑向位置能實(shí)現(xiàn)精度優(yōu)于3 cm(RMS)[5]。GEO衛(wèi)星的軌道高度高于MEO軌道導(dǎo)航星，只能通過(guò)對(duì)地面天線接收地球另一面的“漏”導(dǎo)航信號(hào)。因受地球遮擋，信號(hào)傳輸路徑變長(zhǎng)，GEO衛(wèi)星接收導(dǎo)航信號(hào)的可見(jiàn)星數(shù)、布局條件、信號(hào)強(qiáng)度和多徑效應(yīng)等條件變差。針對(duì)GNSS用于GEO衛(wèi)星自主測(cè)定軌的可行性，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了大量研究和試驗(yàn)。

在GNSS導(dǎo)航用于GEO衛(wèi)星研究中，主要通過(guò)保證GNSS天線有足夠高的增益、提高GNSS接收機(jī)靈敏度，實(shí)現(xiàn)微弱GNSS信號(hào)快速捕獲、跟蹤保持，并以LEO軌道自主定軌算法為基礎(chǔ)進(jìn)行算法升級(jí)作為主要途徑解決相關(guān)問(wèn)題。國(guó)外對(duì)此已完成理論研究，并通過(guò)在軌試驗(yàn)證明了應(yīng)用的可行性[6-11]。如德國(guó)的Equator-S科學(xué)衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道200～36 000 km，最終軌道為500～67 000 km，衛(wèi)星上載有LEO星載GPS接收機(jī)的改進(jìn)型，通過(guò)在高軌段試驗(yàn)證明在GEO衛(wèi)星上能跟蹤到GPS衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航信號(hào)，但也發(fā)現(xiàn)了GPS衛(wèi)星的可見(jiàn)性差、接收到的信號(hào)微弱、信號(hào)捕獲困難等問(wèn)題；NASA發(fā)射的AMSAT-OSCAR-40(AO-40)衛(wèi)星在1 000～58 800 km的大橢圓軌道上對(duì)GPS接收機(jī)用于HEO/GEO軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航進(jìn)行了探測(cè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明在遠(yuǎn)地弧段實(shí)際接收的GPS信號(hào)的載噪比能達(dá)到40～47 dBHz(包括天線增益)，多普勒頻率約±10 kHz，50 h內(nèi)可見(jiàn)導(dǎo)航星在0～5顆間變化。相比國(guó)外已完成工程驗(yàn)證，我國(guó)目前仍處在理論研究和數(shù)學(xué)仿真階段，急需開(kāi)展GNSS導(dǎo)航在GEO軌道的長(zhǎng)時(shí)間飛行驗(yàn)證和測(cè)定軌性能分析。通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)在我國(guó)首次對(duì)GEO上GNSS導(dǎo)航的長(zhǎng)期在軌工作和性能進(jìn)行試驗(yàn)，本文依據(jù)該衛(wèi)星的在軌工作數(shù)據(jù)分析了GNSS導(dǎo)航的性能，并評(píng)估了導(dǎo)航的精度。

1 GEO上GNSS導(dǎo)航原理

在LEO(3 000 km及其以下范圍)，GPS的可見(jiàn)星多，信號(hào)條件好。對(duì)中、高軌道航天器如GEO(35 786 km)，由于高于GPS星座(20 200 km)，只能接收地球另一面的“漏”GPS導(dǎo)航信號(hào)，即只有在GPS主天線下行頻率主波束邊緣構(gòu)成的環(huán)形錐內(nèi)才能接收到GPS信號(hào)。地球半徑為6 378.14 km，由于地球遮擋GPS信號(hào)，從GEO衛(wèi)星上只能“看到”8.7°～13.2°的范圍，若考慮地球表面電離層則情況更差。GEO接收GPS信號(hào)原理如圖1所示。其他導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS類似，基本上是MEO衛(wèi)星，在GEO也只能接收其“漏”導(dǎo)航信號(hào)。

圖1 GEO上GNSS導(dǎo)航原理Fig.1 Principle of GNSS navigation in GEO satellite

低軌道衛(wèi)星GNSS自主定軌方法中，最常用的是最小二乘估計(jì)和卡爾曼濾波方法。對(duì)高軌道GNSS自主定軌來(lái)說(shuō)，因?qū)Ш叫菐缀畏植疾?，單純使用最小二乘估?jì)方法的精度低，故可用基于軌道動(dòng)力學(xué)模型的卡爾曼濾波方法，從而獲得高精度的位置速度信息。擴(kuò)展卡爾曼濾波是用于高軌道GNSS自主定軌最廣泛的非線性濾波算法，主要原理是用軌道動(dòng)力學(xué)模型預(yù)報(bào)軌道要素，再用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中的偽距和多普勒觀測(cè)值對(duì)軌道要素進(jìn)行修正[12]。擴(kuò)展卡爾曼濾波器狀態(tài)量為

(1)

R=[xyz]

W=[wRwTwN]

此濾波器中以用戶星J2000慣性系中三軸位置、速度，GNSS接收機(jī)的鐘差、鐘速，太陽(yáng)光壓系數(shù)，RTN方向三軸補(bǔ)償加速度作為濾波器狀態(tài)量，用軌道動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行外推預(yù)報(bào)，以偽距測(cè)量值對(duì)狀態(tài)量的預(yù)報(bào)值進(jìn)行濾波修正，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊將濾波器狀態(tài)量的濾波值轉(zhuǎn)換成用戶星J2000慣性系或WGS84系中的三軸位置、速度供用戶或地面使用。GNSS自主定軌算法原理如圖2所示。

圖2 GNSS自主定軌算法原理Fig.2 Principle of GNSS arithmetic

與用于LEO衛(wèi)星的產(chǎn)品配套類似， GEO衛(wèi)星的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)主要功能有：兼容接收和處理GPS等導(dǎo)航信號(hào)；具GPS等信號(hào)偽距測(cè)量能力；形成原始觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)總線送星載計(jì)算機(jī)，下傳地面用于精度分析；產(chǎn)生實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)(UTC時(shí)間、三維位置、三維速度)通過(guò)總線送星載計(jì)算機(jī)，供姿軌控軟件使用；提供精確時(shí)間基準(zhǔn)。

2 通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)

2.1使用方案

2017年1月5日，作為國(guó)內(nèi)首顆正式應(yīng)用高軌GNSS導(dǎo)航技術(shù)的GEO軌道衛(wèi)星通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)成功發(fā)射，目前在軌運(yùn)行穩(wěn)定，工作正常。該衛(wèi)星配置的高軌GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)采用了典型的產(chǎn)品配套方案(如圖3所示)，能兼容接收和聯(lián)合處理BD2/GPS/GLONASS三個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)，實(shí)時(shí)完成三維位置、速度解算和輸出，并將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳通道下傳地面進(jìn)行精密定軌處理。

圖3 GEO衛(wèi)星典型GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.3 Typical GNSS system for GEO satellite

該GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)自衛(wèi)星發(fā)射轉(zhuǎn)移段即開(kāi)機(jī)工作，截至目前在軌正常工作，向地面發(fā)送了大量在軌導(dǎo)航定軌結(jié)果和原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，可用于GNSS導(dǎo)航在GEO性能分析。

2.2使用約束

高軌GNSS導(dǎo)航在GEO上使用的約束主要源自軌道特性。因只能接收地球?qū)γ娴摹奥睂?dǎo)航信號(hào)，故采用多系統(tǒng)聯(lián)合接收處理的方案可提高信號(hào)接收的概率，優(yōu)化導(dǎo)航星座布局，并提高測(cè)定軌精度，GNSS接收天線應(yīng)能同時(shí)接收BD2/GPS/GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星星座的信號(hào)，頻帶寬度顯著展寬。另外，GEO上GNSS接收到的信號(hào)非常微弱，為提高接收能力，天線在較大的波束范圍內(nèi)應(yīng)具較高的增益。

通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)使用的GNSS天線在裝星前對(duì)不同頻點(diǎn)、不同角度的增益進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 GNSS天線實(shí)測(cè)增益

由表1可知：天線3 dB波束寬度為±30°。在天線3 dB波束寬度視場(chǎng)角域內(nèi)的遮擋可引起天線方向圖嚴(yán)重變形，電性能下降較多，另外遮擋也將影響導(dǎo)航系統(tǒng)的位置精度因子(DOP)，從而降低測(cè)定軌精度，最大可能導(dǎo)致定位精度產(chǎn)生較大誤差機(jī)率提升至10%，故須注意GNSS天線在星上的布局[13]。欲獲得理想效果，至少應(yīng)保證在天線±30°波束范圍內(nèi)無(wú)星體遮擋。

為滿足上述布局約束條件，通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)將高增益GNSS天線安裝在1.3 m展開(kāi)臂上，在衛(wèi)星發(fā)射前展開(kāi)臂與星體鎖緊，在衛(wèi)星定點(diǎn)后根據(jù)地面指令展開(kāi)。展開(kāi)臂與星體鎖緊狀態(tài)下，GNSS天線在星體一側(cè)的波束視場(chǎng)被完全遮擋；展開(kāi)臂展開(kāi)狀態(tài)下，可保證在GNSS天線±30°波束范圍內(nèi)無(wú)星體遮擋。

3 通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)GNSS導(dǎo)航性能分析

通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)GNSS天線展開(kāi)前波束視場(chǎng)被星體遮擋，GNSS信號(hào)接收受到干擾。在衛(wèi)星發(fā)射的轉(zhuǎn)移段，為避免1.3 m展開(kāi)臂展開(kāi)后對(duì)衛(wèi)星變軌飛行產(chǎn)生影響，在轉(zhuǎn)移段GNSS接收機(jī)開(kāi)機(jī)但展開(kāi)臂為鎖緊狀態(tài)。在衛(wèi)星定點(diǎn)后，為驗(yàn)證星體遮擋對(duì)GNSS導(dǎo)航性能的影響，制定了定點(diǎn)后前1個(gè)月仍保持展開(kāi)臂為鎖緊狀態(tài)，此后通過(guò)指令解鎖展開(kāi)的方案，由此對(duì)比GNSS天線展開(kāi)前后的導(dǎo)航性能。

3.1轉(zhuǎn)移段

2017年1月5日，GNSS接收機(jī)于星箭分離后開(kāi)機(jī)驗(yàn)證接收機(jī)在轉(zhuǎn)移軌道的工作情況。GNSS接收機(jī)開(kāi)機(jī)后，GNSS天線按計(jì)劃未實(shí)施展開(kāi)操作。

3.1.1 捕獲星數(shù)

根據(jù)遙測(cè)下傳的觀測(cè)結(jié)果判斷GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)共跟隨整星飛行了9～10圈，盡管GNSS天線處于未展開(kāi)狀態(tài)且姿態(tài)不確定，天線波束視場(chǎng)受星體遮擋較大，但GNSS接收機(jī)仍可捕獲并使用GPS，GLONASS信號(hào)，可用星數(shù)分別如圖4、5所示。其中：GPS星數(shù)集中在4～8顆，GLONASS星數(shù)集中在1～2顆。

圖4 轉(zhuǎn)移段GPS可用星數(shù)Fig.4 Number of available satellites of GPS system on GTO

圖5 轉(zhuǎn)移段GLONASS可用星數(shù)Fig.5 Number of available satellites of GLONASS system on GTO

3.1.2 位置解算

根據(jù)GNSS偽距測(cè)量定位原理，用戶星與導(dǎo)航星間以距離為基本觀測(cè)量，根據(jù)時(shí)間測(cè)距進(jìn)行導(dǎo)航定位。假設(shè)第j顆導(dǎo)航星于時(shí)刻tsj發(fā)播導(dǎo)航信號(hào)，該信號(hào)于時(shí)刻tr被用戶接收機(jī)接收，則用戶與第j顆導(dǎo)航星之間的距離ρj滿足關(guān)系

ρj=c(tr-tsj)=[(Xj-X)2+(Yj-Y)2+

(Zj-Z)2]1/2+cΔt

(2)

式中：(Xj,Yj,Zj)為導(dǎo)航星j在時(shí)刻tsj地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(X,Y,Z)為用戶接收機(jī)在地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；Δt為鐘差。導(dǎo)航星j的坐標(biāo)可由導(dǎo)航天文求得，故(Xj,Yj,Zj)為已知量。另外，用戶接收機(jī)時(shí)鐘與導(dǎo)航星時(shí)鐘、各導(dǎo)航星時(shí)鐘間不可能完全同步，會(huì)引入誤差Δt=ΔtR-Δtj-ΔtS。此處：Δtj為導(dǎo)航星j鐘面時(shí)鐘距離準(zhǔn)確時(shí)刻的偏差，可由地面監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)定，并通過(guò)衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文提供給用戶，故Δtj可視為已知量；ΔtR為用戶接收機(jī)鐘面時(shí)鐘距離準(zhǔn)確時(shí)刻的偏差，一般用戶很難測(cè)定，為未知量；ΔtS為在用戶接收機(jī)同時(shí)接收到不同導(dǎo)航星座的信號(hào)時(shí)需考慮的，是不同導(dǎo)航星座鐘面時(shí)鐘的偏差，一般也難以測(cè)定，亦為未知量。由此，式(2)中最多包含未知量5個(gè)(如只接收單個(gè)導(dǎo)航星座的信號(hào)，則只有未知量4個(gè))。用戶接收機(jī)需至少同時(shí)對(duì)5顆或4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得5個(gè)或4個(gè)偽距觀測(cè)值ρj(j=1,2,3,4,5)，組成5個(gè)或4個(gè)觀測(cè)方程聯(lián)立求解，即可測(cè)定用戶接收機(jī)坐標(biāo)(X,Y,Z)。

另衛(wèi)星在變軌飛行過(guò)程中軌道高度滿足關(guān)系

Rj= [(Xj-X0)2+(Yj-Y0)2+

(Zj-Z0)2]1/2-Re

(3)

式中：(Xj，Yj，Zj)為GNSS接收機(jī)實(shí)時(shí)輸出的WGS84坐標(biāo)系中坐標(biāo)；(X0，Y0，Z0)為WGS84坐標(biāo)系原點(diǎn)(即地球質(zhì)心)坐標(biāo)，本文取值為(0，0，0)；Re為地球半徑。

因受星體遮擋及衛(wèi)星姿態(tài)影響，GNSS接收機(jī)僅在部分弧段捕獲到4顆以上的導(dǎo)航星，故GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)只能在這些弧段中完成導(dǎo)航解算。GNSS接收機(jī)使用GPS，GLONASS信號(hào)實(shí)施聯(lián)合定位定軌，實(shí)時(shí)輸出衛(wèi)星坐標(biāo)(X，Y，Z)，通過(guò)遙測(cè)下傳。地面根據(jù)式(3)描繪的衛(wèi)星在變軌飛行過(guò)程中軌道高度變化與地面測(cè)控系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得的衛(wèi)星真實(shí)情況一致(以第1～2圈為例，如圖6、7所示)，說(shuō)明GNSS接收機(jī)位置解算結(jié)果正確、數(shù)據(jù)可用。

圖6 地面測(cè)控系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得飛行第1～2圈軌道高度Fig.6 Orbit altitude during 1～2 circle depends on practical measure

圖7 根據(jù)GNSS系統(tǒng)輸出描繪飛行第1～2圈軌道高度Fig.7 Orbit altitude during 1～2 circle depends on GNSS navigation

3.1.3 速度解算

對(duì)轉(zhuǎn)移段中較關(guān)注的衛(wèi)星速度，在僅從遙測(cè)通道獲取GNSS接收機(jī)觀測(cè)結(jié)果的有限條件下，用GNSS接收機(jī)定位定軌所得的相鄰時(shí)刻位置偏移量與該時(shí)刻實(shí)測(cè)速度值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證位置速度的一致性，有

(4)

位置速度比對(duì)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：偏移量與實(shí)測(cè)速度的差值均小于0.04 m/s，說(shuō)明位置速度的一致性較好，GNSS接收機(jī)速度解算結(jié)果正確、數(shù)據(jù)可用。

圖8 位置速度一致性比對(duì)Fig.8 Consistency of position and speed of GNSS navigation

綜合以上分析，在衛(wèi)星轉(zhuǎn)移段飛行過(guò)程中，GNSS天線未展開(kāi)狀態(tài)下GNSS接收機(jī)在部分弧段可捕獲到4顆以上的導(dǎo)航星，從而實(shí)現(xiàn)位置、速度解算，解算結(jié)果均正確，且位置速度一致性較好，表明GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)可用。

3.2定點(diǎn)后

衛(wèi)星定點(diǎn)1個(gè)月后，GNSS天線按計(jì)劃展開(kāi)。根據(jù)天線展開(kāi)前后數(shù)據(jù)，考慮捕獲星數(shù)/可用星數(shù)、位置精度因子和位速精度等因素，對(duì)天線展開(kāi)前后GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的在軌性能進(jìn)行分析。

3.2.1 捕獲星數(shù)/可用星數(shù)

天線展開(kāi)前后各取連續(xù)48 h數(shù)據(jù)，對(duì)GPS，GLONASS，BD2的捕獲星數(shù)、可用星數(shù)同時(shí)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9～14所示，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。由結(jié)果可知：在GEO可接收到三個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)，可用星數(shù)總數(shù)大于4，滿足自主定軌要求。BD2系統(tǒng)受導(dǎo)航星布局制約，故捕獲和可用的星數(shù)均較少。

圖9 天線展開(kāi)前GPS系統(tǒng)捕獲和可用星數(shù)Fig.9 Number of captured and available stars of GPS system before antenna outspread

由上述比較可知：天線展開(kāi)前后天線波束視場(chǎng)范圍不同，在展開(kāi)后無(wú)遮擋條件下，GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的捕獲星數(shù)和可用星數(shù)均明顯優(yōu)于展開(kāi)前有遮擋，且捕獲星數(shù)和可用星數(shù)均趨于穩(wěn)定，不再頻繁變化，這種改善在對(duì)GPS信號(hào)的接收中表現(xiàn)最明顯，但在對(duì)BD2信號(hào)的接收中表現(xiàn)不明顯，這主要是因?yàn)槟壳癇D2星數(shù)少，且布局上暫時(shí)只能滿足我國(guó)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍枨螅珿NSS接收機(jī)捕獲和可用的“漏”BD2信號(hào)少。

表2 三個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的捕獲/可用星數(shù)

圖10 天線展開(kāi)后GPS系統(tǒng)捕獲和可用星數(shù)Fig.10 Number of captured and available stars of GPS system after antenna outspread

圖11 天線展開(kāi)前GLONASS系統(tǒng)捕獲和可用星數(shù)Fig.11 Number of captured and available stars of GLONASS system before antenna outspread

圖12 天線展開(kāi)后GLONASS系統(tǒng)捕獲和可用星數(shù)Fig.12 Number of captured and available stars of GLONASS system after antenna outspread

圖13 天線展開(kāi)前BD2系統(tǒng)捕獲和可用星數(shù)Fig.13 Number of captured and available stars of BD2 system before antenna outspread

圖14 天線展開(kāi)后BD2系統(tǒng)捕獲和可用星數(shù)Fig.14 Number of captured and available stars of BD2 system after antenna outspread

3.2.2 位置精度因子

導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性是系統(tǒng)在某一指定覆蓋區(qū)域內(nèi)提供可使用的導(dǎo)航服務(wù)能力的標(biāo)志，本文將其等效為滿足某一門限要求的GNSS位置精度[14]。該精度可表示為

σp=λDOP·σUERE

(5)

式中：σp，σUERE分別為定位精度和衛(wèi)星偽距測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差；λDOP為位置精度因子，表征導(dǎo)航星幾何布局。因此，提供給定精度級(jí)別的GNSS導(dǎo)航功能的可用性取決于對(duì)某個(gè)特定觀測(cè)位置和時(shí)間來(lái)說(shuō)的導(dǎo)航星幾何布局。由式(5)可知：位置精度因子數(shù)值越小，定位結(jié)果越優(yōu)。通過(guò)對(duì)GNSS接收機(jī)位置精度因子的仿真分析，GEO軌道上一般λDOP為10左右時(shí)表示導(dǎo)航星幾何布局較好，λDOP為40左右時(shí)則較差。

天線展開(kāi)前后各選取連續(xù)48 h數(shù)據(jù)，對(duì)GNSS位置精度因子進(jìn)行分析，結(jié)果如圖15、16所示。由圖15、16可知：GNSS天線展開(kāi)前λDOP大部分時(shí)間小于60，但個(gè)別時(shí)段大于100，表明星座布局較差，且個(gè)別時(shí)段無(wú)法滿足使用要求；展開(kāi)后λDOP優(yōu)于展開(kāi)前，其值全部小于60，且多在20以內(nèi)，集中在10～15間，表明導(dǎo)航系統(tǒng)星座布局較好，滿足使用要求。

圖15 展開(kāi)前位置精度因子Fig.15 Statistics of DOP before antenna outspread

圖16 展開(kāi)后位置精度因子Fig.16 Statistics of DOP after antenna outspread

3.2.3 位速精度

衛(wèi)星下傳的GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)包中記錄了GNSS的偽距、載波相位、信噪比等原始觀測(cè)量，可用于事后分析及精密定軌。利用導(dǎo)航星的精密星歷與GNSS下傳的原始觀測(cè)量信息，在地面用動(dòng)力學(xué)公式進(jìn)行事后精密定軌，可作為衛(wèi)星位速的真值，以評(píng)估GNSS在軌性能。

天線展開(kāi)前后各選取連續(xù)48 h數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，展開(kāi)前后事后精密定軌與GNSS位差和速差分別如圖17～20所示，GNSS導(dǎo)航位置和速度精度見(jiàn)表3。結(jié)果表明：天線展開(kāi)前后在GEO軌道GNSS導(dǎo)航均可獲得較高的位置和速度精度；天線展開(kāi)后由于天線波束視場(chǎng)變大，捕獲和可用的星數(shù)、載噪比、位速精度均有所改善，由此位速精度也得到一定程度的提高。

由分析可知：在高軌上通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)GNSS導(dǎo)航實(shí)際獲得的位速精度符合仿真預(yù)期，可滿足GEO軌道通信和遙感衛(wèi)星對(duì)位置精度的要求。

圖17 展開(kāi)前事后精密定軌與GNSS位差Fig.17 Position precise of GNSS navigation before antenna outspread

圖18 展開(kāi)前事后精密定軌與GNSS速差Fig.18 Speed precise of GNSS navigation before antenna outspread

圖19 展開(kāi)后事后精密定軌與GNSS位差Fig.19 Position precise of GNSS navigation after antenna outspread

圖20 展開(kāi)后事后精密定軌與GNSS速差Fig.20 Speed precise GNSS navigation after antenna outspread

精度仿真結(jié)果GNSS天線展開(kāi)前GNSS天線展開(kāi)后三軸位置(1σ)優(yōu)于50m28.4009m26.7312m三軸速度(1σ)優(yōu)于0.3m/s0.011166m/s0.010743m/s

3.2.4 性能分析有效性

通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)為GEO軌道衛(wèi)星，軌位固定，且導(dǎo)航星運(yùn)行周期約12 h，因此本文選取連續(xù)48 h數(shù)據(jù)可反映GNSS在軌的真實(shí)性能，具有一定的代表性，性能分析有效。

另外，GPS衛(wèi)星星座由安排在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成，具備向全球范圍內(nèi)用戶提供導(dǎo)航服務(wù)的能力；GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS類似；對(duì)BD2衛(wèi)星系統(tǒng)，在布局完成GEO+MEO+IGSO的定位體系后，也具備GPS衛(wèi)星系統(tǒng)相同的全球?qū)Ш椒?wù)能力。因此，GEO軌道衛(wèi)星在與通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)不同的其他定點(diǎn)位置處，其接收導(dǎo)航信號(hào)的條件與通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)一致，本文分析的性能依然適用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)在我國(guó)首次開(kāi)展了GNSS導(dǎo)航在GEO軌道的長(zhǎng)時(shí)間在軌工作和性能實(shí)驗(yàn)，本文以連續(xù)48 h數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)定軌性能評(píng)估。結(jié)果表明：在衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道10余圈飛行中，GNSS接收機(jī)在部分軌道區(qū)間可提供有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)，衛(wèi)星定點(diǎn)后天線完全展開(kāi)后GNSS接收機(jī)收星情況明顯優(yōu)于展開(kāi)前。根據(jù)接收機(jī)實(shí)時(shí)定軌結(jié)果與事后高精度定軌數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果分析，實(shí)測(cè)位置精度優(yōu)于30 m，速度精度優(yōu)于0.05 m/s，滿足GEO軌道通信和遙感衛(wèi)星對(duì)位置精度的要求。后續(xù)可基于通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)對(duì)GEO上GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)性能的進(jìn)一步改善進(jìn)行研究和試驗(yàn)。

高軌GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)在GEO上的應(yīng)用具有重大意義，不僅為我國(guó)GEO衛(wèi)星提供了一種新的測(cè)控手段，有效改善GEO衛(wèi)星的測(cè)控精度，而且提高了我國(guó)GEO衛(wèi)星自主管理水平，可為GEO衛(wèi)星的軌位設(shè)計(jì)、軌道機(jī)動(dòng)、多星組網(wǎng)等領(lǐng)域提供了有力的技術(shù)支撐，豐富了各任務(wù)領(lǐng)域GEO衛(wèi)星的測(cè)定軌手段，為衛(wèi)星在軌自主運(yùn)行業(yè)務(wù)提供了更大的可能。

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PerformanceDemonstrationandAnalysisofGNSSNavigationinGEOSatellites

LIBing1，LIULei2，WANGMeng2

(1. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai201109, China;2. Space Star Technology Company Limited, Beijing100080, China)

To approve the self-navigation performance of global navigation satellite system (GNSS) on geosynchronous orbit (GEO), the measurement and test of GNSS performance on GEO were carried out based on the real data onboard of Telecommunication Test Satellite II in China, and the navigation precision was evaluated. The principle of GNSS on GEO and GNSS of Telecommunication Test Satellite II were introduced. The navigation performance experiments on geosynchronous transfer orbit (GTO) and GNSS antenna before and after outspread after positioning were designed. The numbers of available GPS and GLONASS satellites, arithmetic position and speed on GTO were given. And so were the numbers of captured and available navigation satellites, position dilution of precision (PDOP) and precise of position and speed before and after the antenna outspread after positioning. The effectiveness of the performance experiment was explained. The results show that the captured navigation satellites are more than4in some arcs by GNSS receiver on GTO, and arithmetic position and speed are correct with the good consistency of position and speed, which means the GNSS can be used. The numbers of GNSS satellites observed on GEO meet the requirement for self-navigation after positioning. The precise of position and speed obtained is agreed with the simulation result. The PDOP and precise of position and speed after the antenna outspread are better than those before the antenna outspread. The precise of position is better than30m and the precise of speed is better than0.05m/s. The result of this onboard experiment proves that the application of GNSS navigation in geostationary satellite is feasible, which provides a very important support to geostationary satellite tracking and orbit determination and self-management on the orbit for China.

geosynchronous orbit (GEO); global navigation satellite system (GNSS); captured satellite number; available satellite number; position dilution of precision (PDOP); position precise; speed precise; antenna outspread

1006-1630(2017)04-0133-11

2017-06-21；

：2017-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(61601036)

李 冰(1983—)，男，碩士，主要從事衛(wèi)星總體與電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

TN967.2

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.016