GPS空间应用面面观

· 文|中国空间技术研究院 刘永喆 邵怀静

一、空间应用拓展了GPS应用新方向

自1995年具备全面运行能力以来，GPS系统通过提供全球覆盖的定位、导航与授时服务，为人们的生活带来了巨大便利。从飞机的导航与精密进场着陆，到汽车的路线指示，再到各种五花八门的个人定位服务，可以说GPS的应用无处不在。而GPS的应用并未局限在地面和大气层以下，更是不断地向空间扩展。GPS接收机由于其成本低、重量轻、低消耗、全天候、高精度、连续观测等优点，被越来越多地安装在卫星上。目前，GPS定轨已经广泛地应用于低轨道卫星（LEO）中，用于低轨卫星的精密定轨、实时导航、姿态控制、编队飞行以及精确的时间同步等等，而以美国NASA为代表的研究机构正努力将GPS应用到中高轨道乃至更高更远的空间中。目前，GPS空间应用主要包括以下几个方面：

·精确测定卫星轨道；

·改进和精化地球重力场模型以及大地水准面；

·测定、获取电离层中离子三维分布；

·通过“掩星事件”进行气象观测；

·卫星测高；

·精确确定地心位置以及改进全球坐标框架；

·卫星飞行编队控制；

·时间传递标准。

在上述应用中，GPS卫星定轨技术是所有GPS空间应用的基础，而GPS在气象观测、重力场测量以及卫星编队飞行这三个方面的空间应用是近些年的发展热点，因此下文将主要对这几个方面的发展现状与未来发展趋势做展望与分析。

二、利用GPS进行空间飞行器的定轨

1.GPS定轨技术发展

早在上世纪80年代，美国就已经开始了星载GPS定轨技术的研究。1982年，美国开展了GPSPAC计划，发射的Landsat-4是最早搭载星载GPS接收机的低轨道卫星，这项实验证明了GPS可以用于低轨卫星定轨。

1992年6月，也就是GPS基本部署完备时，美国再次进行了GPS定轨飞行试验。试验平台是超紫外线探测卫星（EUVE），其轨道高度为500km左右，并且每一轨道周期EUVE将沿着指向太阳的方向自旋三周以满足其特定观测要求。这次试验的导航系统在平台上只是一种试验设备，不参与卫星的实时导航。这次试验的接收机是摩托罗拉研制的GPSDR接收机。试验结果说明，GPS应用于500km低轨卫星上的导航精度可以达到20～30m（均方根误差）。

几乎与EUVE同时，1992年8月发射的美国、法国合作的海洋测绘卫星TOPEX/Poseidon上也安装了GPS信号接收系统。TOPEX/Poseidon的事后处理过程与前面讨论的EUVE试验差分处理基本相同，而地面差分数据的来源也相同，这样TOPEX/Poseidon的高精度结果支持了EUVE的实验结论。

GPS在空间的正式应用是在美国的重力控制卫星（GP-2）上，该卫星的运行轨道为低轨（650km）极地轨道。GPS作为主要的导航敏感器应用于卫星的入轨控制和导航控制系统中。GPS接收机在此卫星中提供双频P码观测量，其伪距测量精度为±0.5m，伪距率测量精度为±0.01m/s。

之后，在一系列的LEO卫星以及航天飞机上都装载了GPS接收机，进行LEO卫星及近地航天器的精密定轨。从1982年发射Landsat-4卫星至今，GPS接收机已经广泛地用于卫星、航天飞机等航天器上，星载GPS已经成为低轨卫星精密定轨的主要手段之一。

目前，GPS定轨已经成为中低轨道卫星及航天器精密定轨的主要手段，发展已经比较成熟，并不断完善。而以美国为代表的国外航天大国，更是考虑将GPS定轨应用扩展到高轨航天器，不过由于技术实验手段的差异，目前该项技术还处于试验阶段，为此国外开展了大量的试验，图1给出了一些高轨GPS应用重要试验任务和时间。

>> 图1 GPS在高轨卫星中的试验与应用任务

2.GPS卫星定轨技术发展趋势

随着星载GPS定轨应用和改进，其定位精度也在不断提高。图2中选取了4种典型的星载GPS接收机，将卫星的定位精度作为纵轴，年代作为横轴，可以看到星载GPS接收机的定位精度在对数坐标系下几乎是按照直线下降的。目前，低轨卫星星载GPS接收机的定位精度已经比较成熟，接收机定位性能尽管仍会随着技术的发展不断的提高，但已经不是未来发展所要聚焦的重点。可以预见，在低轨GPS定轨技术的未来发展中，在满足所需定位能力的情况下，更便宜的成本、更轻的重量、更小的尺寸、更低的功耗才是未来发展的主流趋势。

>> 图2 低轨星载GPS接收机定位精度

同时，未来高轨卫星GPS定轨技术将会是未来星载GPS接收机发展的另一广阔的“战场”。以美国NASA为代表的世界航天技术研究机构都在大力开展这一方面的研究以及飞行试验。从掌握的研究和飞行试验结果来看，目前高轨卫星星载GPS接收机的定轨精度在50～150m。可见，高轨卫星星载GPS接收机的定轨性能还有待进一步发展和提高。相信，随着我国北斗系统以及欧洲Galileo系统的部署完善，再加上目前已经恢复的俄罗斯GLONASS系统，未来多模的高轨卫星星载GPS接收机其性能必将会发生天翻地覆的变化。

三、利用GPS掩星事件进行气象观测

1.GPS掩星观测气象的发展历程

GPS掩星观测气象是近年来GPS空间应用的热点之一。其原理是在低轨道卫星上安装高精度GPS接收机，利用“掩星事件”反演得到GPS信号路径近地点高度处的大气折射率，进而导出密度、气压、温度和湿度等大气参数。它最本质的物理依据是电磁波在大气中的折射与大气的气压、温度和湿度等有关。

GPS掩星观测研究最早始于1995年，美国开展了GPS/MET试验，并于1995年4月，发射Micro Lab-l低轨卫星上天，开展了人类首次对地球大气的掩星观测。每天可提供覆盖全球500个掩星点上的5～45 km高度范围内高分辨率的温度和水汽廓线。

GPS/MET实验计划成功以后，德国的CHAMP卫星装载着新一代GPS接收机“Black Jack”，于2000年7月发射成功，提供准连续的GPS掩星测量。随后，2000年11月阿根廷的SAC-C卫星也发射升空。此后，随着美德联合的GRACE卫星于2002年3月发射，中国台湾和美国联合的COSMIC卫星在2006年4月的成功发射，GPS掩星技术日趋成熟，通过连续测量地球大气，数据覆盖范围前所未有地广泛。

至今，已成功执行了多个GPS掩星资料测量计划，其中包括美国的GPS/MET，德国的CHAMP，阿根廷的SAC-C，德国和美国合作的GRACE-A，中国台湾和美国合作的FORMOSAT-3/COSMIC，欧洲的Metop-A和德国的TerraSAR-X。这些GPS掩星计划发射时间和掩星可用资料见表1。早期的GPS/MET的掩星实验，每天大约可以获得100～150个掩星垂直廓线。随后的CHAMP和SAC-C一起每天可提供350个掩星廓线。与其他GPS掩星计划不同，COSMIC有6颗低轨卫星，每天可得到大约3000个廓线。

目前，还在健康运行的GPS掩星测量低轨卫星只有COSMIC、Metop-A和TerraSAR-X。每天提供的总廓线数已经减至1000～1500根。原计划于2012年升空的COSMIC -2由于各种原因推迟，FORMOSAT-7/COSMIC-2计划可能将于2016年和2018年各发射6颗低轨卫星。如果FORMOSAT-7/COSMIC-2发射成功，全球每天将可以获得12000根掩星观测廓线。

2.星载GPS掩星接收机发展趋势

表1统计了典型GPS掩星计划中各卫星星载接收机的关键性能指标，通过对比分析可以看出，随着技术的不断发展，GPS掩星接收机在掩星数目、采样率、接收机通道、同时跟踪卫星数等方面都在不断地提高。不过这种性能的提升，也带来了质量、功耗的增加。

表1 典型GPS掩星计划中各卫星星载接收机的关键性能指标对比

尽管如此，未来星载GPS掩星接收机在功能越来越完善的同时，也必然会向着体积、质量、功耗越来越小的方向发展。一些行业人士认为，接收机将进一步小型化，飞行系统也会进一步缩小。未来通过发射几十个甚至成百上千个微小自由航天器，这些微小航天器被称为“Nanosat”，每个“Nanosat”只携带一个质量仅几百克，功耗小于10W的GNSS接收机，科学家将实现更为完善的掩星观测。预计下一代NASA的掩星接收机将只有手掌大小，重仅几百克，功耗几瓦。另一种观点认为，将来掩星观测仪器仍然会搭载在其他航天器上，微小的接收机／处理器可以承担几个独立的航天器子系统的功能，重量将进一步减轻，功耗和花费将进一步降低。在非掩星专用的卫星平台上添加掩星组件的额外费用可能接近于零。

不管怎样，有一点是肯定的，那就是星载GPS掩星接收机的发展趋势必然是体积、质量、功耗越来越小，而其功能则越来越完善。

此外，COSMIC星座的部署，再到未来的NPOESS星座，说明未来星载GPS掩星气象观测将逐渐由单星向着星座发展，显然这种方式的观测能力更强。

四、利用星载GPS进行重力场测量

1.重力场测量卫星发展历程

地球重力场是固体地球物理学、海洋动力学、地球动力学、冰川学、飞行力学和航天动力学等研究与分析所需的基本物理量，在国防建设、地球科学及其相关学科的研究中都具有极其重要的作用。如在军事领域，作为现代军事战争中的主要战略武器洲际导弹，射程在7000km以上，一般要求命中精度为几十米，但如果不考虑重力场的扰动影响，那么最终的落点偏差可能会高达上千米。

自从人造卫星上天，人们开始把它作为地球重力场的探测器或传感器，通过轨道摄动获取重力场信息。由于卫星观测技术的空间广域性，空间技术的利用已成为当前重力场研究的重要发展方向。特别是随着利用星载GPS接收机的卫星跟踪卫星技术（SST）的大力发展，重力探测卫星CHAMP、GRACE、GOCE等一系列卫星相继发射升空，使重力场空间分辨率、时效性和精度等方面均高于地面几十年的综合观测结果，并为快速获取全时空尺度地球重力动态变化信息提供了可能，在地球科学及其应用方面显示出巨大应用前景。

世界上首颗专用重力探测卫星“挑战性小卫星有效载荷”（CHAMP）卫星由德国波茨坦地球科学研究中心和德国航天局合作研制，于2000年7月15日发射。卫星主要用于地球科学和大气研究，是世界上首次采用高低轨道、卫-卫跟踪技术的重力场探测卫星。

在地球重力场探测领域，CHAMP卫星取得了巨大成功。因此，为了进一步研究和提高地球重力场测量能力，德国航天局与美国国家航空航天局在CHAMP卫星基础上开展国际合作，于1996年首次提出了采用双星低低卫-卫跟踪模式的“重力恢复与气候试验”（GRACE）卫星项目。GRACE双星编队飞行，是世界上首颗采用低低卫-卫跟踪模式的专用重力探测卫星，于2002年3月17日发射，运行在高度485km、倾角89°的极轨道，设计寿命5年，目前仍在轨运行。GRACE卫星是CHAMP卫星的延续和扩展，使专用重力探测技术和地球重力场探测能力又向前迈进了一步。

2009年3月17日发射的“重力场与稳态海洋环流探测”（GOCE）卫星，是欧洲航天局（ESA）独立发展的地球动力学和大地测量卫星，是全球首颗用于探测地核结构的卫星。GOCE卫星的主要科学目标是高精度、高分辨率地测量全球静态重力场（中波、短波）和大地水准面模型，具体目标包括：更深刻地了解地球内部物理结构，包括与地球动力学相关的岩石圈、地壳组成，以及流变学等方面；大地水准面（海水静止时形成的等位面）的精度达到厘米级；获取重力梯度数据和卫星跟踪卫星数据。该卫星设计寿命2年，目前仍在轨运行。

美国在GRACE卫星任务的基础上，率先将重力探测技术引入到行星引力场探测领域，发展了“引力恢复与内部实验室”（GRAIL）月球探测器，又称“圣杯”探测器，其科学目标是绘制高精度的月球引力场分布图，以确定月球的内部结构；研究小行星撞击历史，为未来任务着陆点的选择提供有关数据。GRAIL任务由2个相同的探测器（GRAIL-A和GRAIL-B）组成，其引力测量原理与GRACE卫星基本一致，2个探测器在距离月球表面50km的近圆形极轨道上编队飞行，相距200km，通过测量相互之间的距离/速度变化数据来绘制高分辨率的月球引力图。GRAIL探测器于2011年9月10日发射，GRAIL-A和GRAIL-B探测器分别进入月球轨道，展开科学探测任务，于2012年12月18日撞击月球表面，任务结束。

为了确保重力探测数据的连续性，目前美国和德国正在合作发展GRACE卫星的后续任务，最大程度地继承了GRACE卫星的技术和成果。GRACE后续星目前处于研制阶段，计划于2016年发射，预计将运行至2021年。

2.典型重力场测量星载GPS接收机对比分析

GPS接收机可以对卫星进行精密定轨，对重力探测卫星具有重要的意义，是在地球惯性坐标系中确定卫星绝对位置的最有效手段。表2列出了几个比较典型重力探测卫星主要载荷与星载GPS接收机对比。

表2 国外典型重力探测卫星主要载荷与星载GPS接收机对比

CHAMP 卫星以及GRACE卫星均采用美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）为航天飞行研制的BlackJack GPS接收机。该接收机采用双频设计，最重要的特征是采用4个新型16信道数据信号处理器专用集成电路（ASIC），最多可同时跟踪48个GPS信号，定位精度可达厘米级。该接收机配备4部接收天线，一部指向天顶方向，一部指向天底方向，两部指向卫星尾部。

BlackJack GPS接收机还用于SAC-C、JASON-1、FEDSat等多颗卫星，提供高精度的轨道位置与姿态确定。

GOCE卫星综合应用卫星辐射测量（SGG）与卫星跟踪卫星（SST）技术，从而实现以最好的空间分辨率恢复全球重力场的目标。GOCE可满足如下重力测量的要求：对低轨卫星的三维连续跟踪；利用无阻力控制系统有效补偿非引力影响；轨道较低，可感应到较强的重力场信号；观测量的特性可有效补偿重力场信号因高度上升产生的衰减。

GOCE卫星上搭载的卫星跟踪卫星设备（SSTI）是适用于低地球轨道环境的先进的GPS接收机，其任务是在最多跟踪12颗GPS卫星信号、实现卫星精密定位的同时，精确地恢复重力场。

未来，随着新GPS系统信号L2C、L5的开通，用于重力场测量的星载GPS接收机将从双频向着多频发展，同时随着俄罗斯GLONASS系统的恢复、中国的北斗以及欧洲的Galileo卫星导航系统的部署完成，多模的GNSS接收机才是星载卫星导航系统发展的必然趋势。

五、利用星载GPS实现卫星飞行编队控制

1.航天器编队飞行具有良好前景

航天器编队飞行技术的开发和逐步实用化，正改变着航天业界的面貌。空间编队飞行任务得以发展，首先在于编队飞行卫星可以构成虚拟“巨型”卫星平台，实现单颗卫星不可能实现的任务。大量的地球观察任务，如遥感、侦察、测量等，都是利用一个大型航天器平台对感兴趣的地球区域进行反复而断续的测量，但本质上这些平台的体积和质量受限于现有的运载工具能力。在当今条件下，要发射比哈勃空间望远镜几何尺寸更大、重量更重的单个航天器可能是很困难的。但是，在技术条件成熟的将来，利用编队飞行的多个航天器协作，组成虚拟的大合成孔径进行空间观察，则可以获得更高的角度分辨率和空间分辨率，提高遥感性能，同时降低成本，规避飞行任务风险。

将探测器分布在编队飞行的几个航天器上，可以构成长基线测量系统，这样就消除了单个航天器本体对基线长度的制约。而特长基线的干涉测量对于研究宇宙的结构演化，太阳系观察和探险、地壳运动监测等科学领域是很有意义的。

空间编队飞行技术也将改变空间载人探险和空间开发活动。将来在航天器编队飞行技术的基础上，实现航天器与空间站的自主交会对接将成平常之事。编队飞行技术将使人类在空间探索和空间开发技术领域跃上一个新台阶。

2.GPS是航天器编队飞行的技术基础

GPS技术的发展和航天器编队飞行技术的开发将使传统的卫星导航技术发生革命，随着GPS新的技术领域和应用功能的不断开发，星载GPS将构成地球轨道航天器定时和编队飞行的技术基础。

卫星编队飞行的测量和控制以及星间通信等技术强烈地依赖于GPS系统的支持，如基于GPS的分布式卫星编队控制，该技术利用现代控制理论提供优化的队形控制，所需测量信息量最小，只需要根据对每颗编队卫星的GPS伪距和载波相位观测量的滤波值计算得到其局部最优解；另外，小型化的GPS接收机也可以作为自主编队飞行微小卫星的心脏，提供姿态和轨道测量、姿态机动指令、轨道控制、指令和数据管理服务、编队控制信息传输等功能。还有，GPS接收机作为卫星编队飞行的定时敏感器，是一个低成本的星载时间同步系统。而未来的空间编队飞行任务很大程度上依赖天基GPS测量技术和航天器自主控制技术，并以此来构造空间编队飞行的技术平台。某种程度上，GPS开辟了航天技术和航天事业的新领域。