我國GEO衛(wèi)星高精度測定軌技術進展

耿虎軍，劉友永，王 彬，高華宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

地球同步軌道衛(wèi)星，尤其是地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)，由于具有獨特的靜地和高軌特性，在通信、氣象、導航定位、對地觀測和數(shù)據(jù)中繼等領域應用廣泛。隨著GEO衛(wèi)星業(yè)務及其應用的不斷拓展，對衛(wèi)星軌道精度提出了10 m量級的定軌精度要求[1-2]。相對于中低軌衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星與地面測量站的位置相對靜止，站星幾何的變化很小，衛(wèi)星定軌精度受測站幾何和測量誤差等影響較大；另外，為了保持星地相對靜止，衛(wèi)星會進行頻繁的軌道機動，衛(wèi)星機動后的快速軌道恢復也為GEO衛(wèi)星精密軌道確定帶來較大麻煩。

針對高軌衛(wèi)星尤其GEO衛(wèi)星的高精度測定軌需求，我國開展了厘米級多站測距技術[3]和連線端干涉測量的技術研究[4]，并組織開展了相關試驗驗證[5-8]，下面將分別介紹2種技術體制的關鍵技術和試驗情況。

1 多站高精度測距與定軌技術

基于偽碼測量的多站測距體制在我國探月工程、北斗工程和氣象衛(wèi)星等系統(tǒng)中得到廣泛應用，其對高軌衛(wèi)星的定軌精度通常在百米至千米量級。因此，對于定軌精度要求為10 m量級的高軌衛(wèi)星來說，需要開展厘米級高精度測距技術研究，深入分析影響定軌精度的誤差因素，并給出相應的誤差控制方法。

1.1 多站測距定軌誤差因素分析

類似GPS系統(tǒng)，影響多站測距系統(tǒng)定軌精度的主要誤差因素有測站布局、測量誤差和定軌方法等[9-10]，將通過理論分析和仿真給出不同誤差對定軌精度的影響。

1.1.1 測站布局對定軌精度的影響

由于GEO衛(wèi)星的靜地特性，其對地相對運動不顯著。因此，可以借助定位中的PDOP值概念，一般來說PDOP值越小，GEO衛(wèi)星定位精度越高。因此對于高軌衛(wèi)星來說，不同的測站組合及觀測衛(wèi)星將構成不同的PDOP因子，從而導致不同的衛(wèi)星定軌精度。

對于每個單站來說，其量測方程可表示為：

Ri=ri+c(τI+τT)+cτins+cτsat+ε(t)。

由多站測距和衛(wèi)星構成的定位方程表示為：

設量測誤差為dr=[dr1dr2dr3...]，衛(wèi)星位置誤差為dε=[dxdydz]，根據(jù)以上兩式推算得到衛(wèi)星的定位誤差方程為：

式中，H=[E1E2...En]T；Ei=[limini]，對應的權系數(shù)陣表示為：

得到位置衰減因子：

以采用5站測距為例，如圖1所示。假設5個地面站分別位于北京、廣州、烏魯木齊、佳木斯及騰沖，仿真說明不同的GDOP因子對定軌精度的影響。

圖1 風云四號測距系統(tǒng)組成

已知各站的測距系統(tǒng)差為0.5 m，隨機差為0.03 m，給出國內不同4站組合對110°E的GEO衛(wèi)星定軌精度的影響如表1所示。

表1 不同測站組合對定軌精度的影響

測站組合PDOP定軌精度/mR/mT/mN/mJMS+WN+SY41.294.650.234.132.36KS+WN+SY22.372.670.241.082.41KS+JMS+WN20.262.480.250.622.36KS+JMS+SY15.131.560.081.400.634站14.411.860.071.520.73

可以看出，對于不同方位的GEO衛(wèi)星，不同測站與衛(wèi)星組合具有不同的PDOP因子，在任務規(guī)劃時需要依據(jù)PDOP因子合理選擇測站以獲取更高的定位精度。

1.1.2 測距誤差對定軌精度的影響

對于多站測距定軌系統(tǒng)來說，測距誤差主要包括系統(tǒng)誤差和隨機誤差，對應的誤差源主要有地面設備誤差、衛(wèi)星相關誤差和傳播路徑誤差等[11-12]。

在地面設備中，引入系統(tǒng)差的因素主要有天線延時、天線相心、收發(fā)信道、AD/DA和基帶數(shù)據(jù)處理等及其穩(wěn)定性。通常利用對塔校零和偏饋校零等方式精確測量獲取系統(tǒng)測距零值，精度為厘米量級；也有通過類似GPS解算DCB的方法對地面系統(tǒng)誤差作為未知參數(shù)，利用多站聯(lián)合觀測資料進行解算，其解算精度受測距和定軌精度的影響。

衛(wèi)星相關誤差主要指衛(wèi)星轉發(fā)器或應答機延時及其變化、衛(wèi)星天線相心與質心不一致等因素，通常該延時在出廠前標定，在定軌過程中作為常數(shù)進行扣除，其不一致性通常在厘米量級，但在高精度測定軌應用場合，必須對衛(wèi)星延時及其穩(wěn)定性進行監(jiān)測和定期定軌解算。

傳播路徑誤差主要是電離層和對流層延時及其變化；若系統(tǒng)采用雙頻觀測，則可以通過雙頻聯(lián)合觀測解算從而可去掉電離層延時影響；而應用較多的單頻測距系統(tǒng)，采用電離層延時理論模型和基于GNSS接收機的電離層延時修正方法在工程上應用較廣，但其修正精度通常在20 cm量級，還需要進步尋求提高修正精度的方法。關于對流層延時，通常采用溫濕壓等環(huán)境參數(shù)測量和理論修正模型進行修正，其精度在10 cm量級，而對于更高精度的修正要求需要采用專門的水汽微波輻射計進行修正，精度通常在厘米量級[13-14]。

基于圖1的多站測距場景，對不同的測距系統(tǒng)誤差和隨機誤差對定軌精度的影響進行了仿真，其結果如圖2所示。

圖2 測距誤差對定軌精度的影響

可以看出，測距系統(tǒng)誤差對定軌精度具有較大影響，僅當總的測距系統(tǒng)誤差優(yōu)于0.5 m，才能實現(xiàn)10 m量級的高軌衛(wèi)星定軌精度。

1.1.3 定軌方法對定軌精度的影響

高軌衛(wèi)星的主要任務是通信、導航和氣象等業(yè)務需求，而高精度測距需要占用星上轉發(fā)資源，因此，需要在保證衛(wèi)星軌道精度的前提下，用于測距觀測的時段越少越好，故可以采用稀疏觀測方式服務與多顆衛(wèi)星，從而實現(xiàn)最大程度的利用星地資源。為此我們采用動力學法，仿真了不同觀測間隔、觀測時間和觀測弧長條件下對定軌精度的影響[15]，其結果如圖3所示。

圖3 不同觀測條件對定軌精度的影響

仿真結果表明，采用每1 h觀測10 min的方式，當觀測弧長約束超過8 h，定軌精度可優(yōu)于1 m，該結果可作為制定多星觀測策略的依據(jù)。

1.2 多站測距定軌試驗情況

風云四號靜止氣象衛(wèi)星是三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，衛(wèi)星上搭載了眾多高精度有效載荷。衛(wèi)星精密軌道確定和高精度軌道預報是調整衛(wèi)星姿態(tài)、獲取高精度定量觀測數(shù)據(jù)和圖像的必要前提和重要保障。為了提高定軌精度，采用多站測距體制，對電離層、中性大氣、衛(wèi)星轉發(fā)器以及地面測距系統(tǒng)造成的時延進行實時解算和修正，獲取高精度的測距數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)衛(wèi)星精確定位以及高精度軌道預報。當觀測時間增加至8 h，其衛(wèi)星定軌精度穩(wěn)定在15 m以內，為目前國內最高水平。

高分辨對地觀測對高軌衛(wèi)星的定軌精度要求為米量級，較風云多站測距系統(tǒng)的精度提高約1個量級，因此要求測站系統(tǒng)誤差在10 cm量級，這就對天線延時、天線相心、收發(fā)鏈路延時、基帶設備延時和衛(wèi)星設備延時提出了較高要求；國內一些研究機構針對該需求進行了深入研究，對天線延時、高精度標校、設備開關機延時等提出了一些的解決方案[16-18]，基本實現(xiàn)了厘米級的系統(tǒng)誤差控制精度，為米量級的高軌衛(wèi)星高精度測定軌奠定了技術基礎。其多站定軌精度優(yōu)于2 m，如圖4所示。

圖4 高精度測距條件下的高軌衛(wèi)星定軌精度

2 連線端干涉測量與定軌技術

典型的連接單元干涉儀(CEI)系統(tǒng)組成如圖6所示，通常由一主兩副共3站構成，正交基線長度通常在100 km以內，站間通過光纖進行時頻共源。該系統(tǒng)屬于Rlm測量體制[19]，主副基線其利用高精度的相位延遲觀測量來彌補基線長度的不足，可以獲取與VLBI系統(tǒng)相當?shù)臏y角精度(幾十納弧度)，并結合主站的測距共同完成對靜地衛(wèi)星的高精度定軌。與靜地衛(wèi)星的多站測距系統(tǒng)相比，CEI系統(tǒng)的基線更短，系統(tǒng)更加靈活，實時性更好，但其難點是載波相位延時測量，其中核心關鍵技術有高精度的光纖時頻傳遞、高精度系統(tǒng)誤差標校和載波相位整周期模糊解算方法。

圖5 典型GEI系統(tǒng)工作示意

2.1 遠距離高精度光纖時頻傳遞技術

VLBI系統(tǒng)中各站均配備了高性能的氫鐘作為頻率標準；而CEI系統(tǒng)則需要將主副站的時頻“同源”，以消除頻率準確度和穩(wěn)定度對相位延時測量的影響，因此必須使用遠距離高精度光纖時頻傳遞技術。

近些年國內外許多研究機構對點對點遠距離的光纖頻率傳遞技術進行了深入研究[20-23]，利用光頻、光梳和光載射頻的方式進行不同距離的頻率傳遞，精度達到了不惡化氫鐘的指標要求，其實質都是通過往返雙向延時測量的方式主動補償由溫度、振動等引起單向傳輸鏈路的延時變化，實現(xiàn)主副站的高精度頻率同步，其中典型研究成果如表2所示。

表2 國內外光纖時頻傳遞水平

研究機構技術體制實現(xiàn)指標法國LNE-SYRTE實驗室點對點光纖延遲線光載射頻86 km:≤3?10-15@1 s≤5?10-18@1 day德國PTB研究所點對點相位補償光頻300 km:≤1?10-15@1 s≤1?10-18@1 day清華大學點對點相位補償光載射頻80 km≤8?10-15@1 s≤5?10-18@1 day上海交大點對點光纖延遲線光載射頻100 km≤5?10-14@1 s≤9?10-17@1 day國家授時中心點對點相位補償光頻112 km≤3?10-16@1 s≤4?10-20@1 day

在時間傳遞方面，國內清華大學和上海交通大學等研究機構開展了時頻同傳技術研究[24-25]，時間同步精度達到了50 ps量級；該方法依然采用時間、頻率2套獨立的補償機構，通過波分復用簡單的將二者利用同一根光纖進行傳輸，破壞了時頻二者的相干關聯(lián)性，精度也無法進一步提高。

2.2 高精度系統(tǒng)誤差標校

CEI系統(tǒng)的測量元素為Rlm，R為主站測距精度；l，m分別為目標方向與主、副站基線夾角的方向余弦，該測量值一般通過站間DOR測量獲取。因此要想獲取相延時就必須精確標定CEI系統(tǒng)誤差以獲取精確幾何延遲差，同時輔助解載波整周期相位模糊。

關于主站測距R的誤差分析詳見1.1.2節(jié)；影響DOR精度的系統(tǒng)誤差包括站間設備延遲差、站址(基線長度)誤差、天線相心不一致、鐘差及鐘速、對流層延遲和電離層延遲差、標校源誤差等因素。在上述誤差中，如電離層延時和對流層延時通常利用GPS、微波輻射計等進行修正，但其修正精度通常在10 cm左右，無法滿足CEI載波相延時的測量要求。因此，對CEI的系統(tǒng)差標校應主要采用基于差分DOR觀測的模式[26]，利用射電源或者具有精確軌道的GPS/BD導航衛(wèi)星作為標校源，精確標定主副站系統(tǒng)誤差，送給相關后處理用于解正周期相位模糊。具體標校方法詳見文章。

然而在基于相位延時測量的CEI系統(tǒng)中，DOR系統(tǒng)標校的不足在于DOR方法只能夠完成標校源方向、觀測時刻和工作頻段的系統(tǒng)誤差，當目標方向與標校源方向存在較大角差情況下，必須考慮設備延時色散及其穩(wěn)定性、不同方向和頻段上電離層對流層延時不一致、天線相心不一致等引起的測量誤差。

對于設備群延時色散及其穩(wěn)定性，相位校正PCAL是有效的技術手段，它產生的寬頻段梳狀譜信號通過低噪放耦合饋入下行信道，也可以通過偏饋陣子輻射饋入下行信道，以進行信道群時延色散的測量與實時穩(wěn)定性修正，修正精度優(yōu)于2 mm。

對于不同方向的對流層延時的不一致性，美國和德國等研究機構研制了小型化高精度微波輻射計，裝載在天線副反射支架上，視線方向與天線隨動，從而精確測量不同方向濕項大氣延時的不一致性，并在后處理中進行修正。

對于不同方向上天線相心不一致性，德國和上海天文臺等研究機構分別提出基于激光測量、GPS載波相位測量等方法，精確測量不同方向的延時變化，通過對天線的精確建模給出不同方向上相心延時變化進行事后修正，精度能夠優(yōu)于1 mm。

2.3 CEI載波相位解整周期模糊技術

在CEI系統(tǒng)中，最關鍵的就是高精度的兩站時延差的測量，通過干涉測量，利用兩站的接收信號可以得到測量時延如下：

式中，τg為利用帶內有效信號部分得到的群時延；τp為利用信號載波相位得到的相時延；εg和εp分別為群時延和相時延的求解誤差項。

受限于信號帶寬和相位估計精度的影響，群時延的估計精度不可能無限提高。相時延的估計精度要遠高于群時延的估計精度，即εg>>εp，但是相時延存在整周模糊度N的問題，如何得到準確的整周模糊值N就成為高精度相時延求解的關鍵。然而，由于群時延的精度與相延時有近幾百倍的差異，無法直接用群時延值解算得到相時延的整周模糊值N，需要先進行處理將群時延的精度提高。

載波相位平滑偽距是結合偽碼測距和載波相位測距各自優(yōu)點的一種高精度測距方法，在高精度GPS定位中應用廣泛，通過該方法可有效降低群時延測量隨機誤差。另一方面，高軌衛(wèi)星尤其是GEO衛(wèi)星動態(tài)較小，其運動特性引起的站間相位變化相對緩慢，因此在粗軌到預報的基礎上，利用多弧段聯(lián)合求解；在北京跟蹤通信技術研究所組織下，中國電子科技集團公司第五十四研究所和上海光機所等單位在喀什開展了20 km基線的CEI測定軌試驗，利用載波相位平滑偽距和多弧段聯(lián)合解算的方法，實現(xiàn)對GEO衛(wèi)星的載波相位整周期解算和相延遲高精度測量，其結果如圖6所示。與事后精軌比對，CEI相延時測量精度優(yōu)于0.1 ns，如圖7所示，相應的定軌精度為10 m量級。

圖6 群延遲與載波相延遲的測量結果

圖7 CEI試驗實測結果

3 結束語

針對高軌衛(wèi)星尤其GEO衛(wèi)星的高精度測定軌問題，介紹了我國多站高精度測距定軌和CEI測量定軌技術進展，給出了相應的系統(tǒng)誤差分析，梳理了其中的關鍵技及相關解決辦法；對相關試驗驗證的情況進行詳細闡述，由試驗結果可知，CEI能夠實現(xiàn)優(yōu)于10 m的定軌精度。本文將對后續(xù)我國高軌衛(wèi)星的高精度測定軌系統(tǒng)建設具有一定的指導意義。