中继卫星支持航天器实时精密定轨技术研究

王洪锋 李强 羌胜莉

（北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094）

中继卫星支持航天器实时精密定轨技术研究

王洪锋 李强 羌胜莉

（北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094）

通过分析美国跟踪与数据中继卫星系统卫星增强服务，结合我国数据中继卫星系统和北斗卫星导航系统发展现状，总结得到对我国发展数据中继卫星系统卫星增强服务，以实现低轨道航天器实时精密定轨的几点启示：加快建设北斗卫星导航系统全球增强系统；通过冗余提高北斗卫星导航系统全球增强系统可靠性；增加我国数据中继卫星支持广播的能力；建立我国数据中继卫星系统卫星增强服务标准；增加多系统联合定位技术支持；与北斗卫星导航系统D2导航电文配合使用；进行数据中继卫星系统卫星增强服务试验以积累技术经验。

全球导航卫星系统；低轨道航天器；数据中继卫星；全球定位系统；定轨

1 引言

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的天基无线电导航定位系统［1］。差分增强技术作为GNSS本身的补充与改进措施，能够有效提高系统服务的精度、可用性、连续性和完好性指标，一直是GNSS领域研究的热点问题［2］。大部分增强系统具有以下特点：地面数据中心利用分布在全球或区域内的基准站，对导航卫星进行连续观测并计算获得卫星轨道参数改正数、卫星时钟改正数和广域电离层延迟改正数等，通过上行链路发送至卫星或通过互联网进行广播。用户在收到改正数后，对所得到的观测量进行修正，最后计算出自身位置，精度可以达到1m甚至分米级。地球表面用户借助于GNSS增强系统可以获得高精度定位数据。

目前，GNSS已经在低轨道航天器测轨、定轨方面取得广泛应用。对于诸多低轨道航天器获得实时精确的轨道和速度信息对其完成任务具有重要意义。低轨道航天器对轨道精度的要求从几米至几厘米，因任务不同而不同［3］。然而，低轨道航天器搭载的GNSS接收机由于受各种误差影响，定轨精度有限，不能满足很多任务要求。低轨道航天器不断绕地球运行，如何让低轨道航天器借助于GNSS增强系统获得高精度的轨道位置，是摆在我们面前的重要课题。美国跟踪与数据中继卫星系统卫星增强服务（TDRSS Augmentation Service for Satellites，TASS）借助于跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）的高覆盖率特性来解决这一难题。目前中国数据中继卫星系统（China Data and Relay Satellite System，CDRSS）和北斗卫星导航系统（Bei Dou Navigation Satellite System，BDS）正在不断建设和发展，本文通过对TASS的研究，结合CDRSS和BDS发展现状，为我国发展数据中继卫星系统卫星增强服务（CDRSS Augmentation Service for Satellites，CASS）提出几点启示。

2 美国跟踪与数据中继卫星系统卫星增强服务

美国跟踪与数据中继卫星系统卫星增强服务是通过TDRSS为低轨道航天器提供全球定位系统（Global Positioning System，GPS）差分校正数据和其他辅助数据来帮助低轨道航天器实时获得分米级的精确轨道信息和纳秒级的时间信息［4］。GPS差分校正数据包括GPS卫星轨道校正数据、GPS卫星时钟校正数据和GPS完好性状态等，辅助数据包括地球定向参数和太阳辐射通量信息等。跟踪与数据中继卫星（Tracking and Data Relay Satellite，TDRS）通过S频段前向多址信道广播GPS差分校正数据和辅助数据［3－4］。TASS系统框图如图1所示。

全球差分GPS（The Global Differential GPS，GDGPS）系统是诸多差分增强系统的一种，它利用分布在全球数百个参考站上的双频接收机实时获得GPS卫星测量数据，这些测量数据通过网络或者专用线路实时传输至数据交换设备，数据交换设备通过专用线路将测量数据送至操作中心，操作中心通过RTG（Real－Time GIPSY，RTG）软件对测量数据进行实时处理，获得GPS卫星轨道校正数、时钟校正数和GPS完好性状态等数据。这些数据连同其他辅助数据以1Hz的频率通过专用线路传送至TDRS地面站TASS计算机，经过TASS发射机编码、调制等处理后通过TDRS地面站天线发送至TDRS，TDRS将这些数据转发至低轨道航天器，低轨道航天器通过TDRS接收机接收这些校正数据和辅助数据，并联合自身GPS接收机实测数据通过RTG软件实时计算自身轨道位置［4］。

为了提高系统可靠性，GDGPS系统采用冗余设计，数据交换设备、操作中心等均为两套且分布在不同的地理位置。传输线路也有多种选择来避免单点失效。全球分布的数百个参考站保证了同时至少有9个参考站观测同一颗GPS卫星，这样即使有一个参考站工作失效也不会对系统产生影响。这些参考站一方面测量获得GPS卫星轨道、时钟等原始数据，同时对GPS完好性进行实时监测。通过每个节点数倍的冗余保证了系统99．999%的可靠性［3－4］。

通常3个TDRS就可以实现对低轨道航天器全天候的全球覆盖。通过配置TDRS相控阵天线可以形成一个前向宽波束来广播GPS卫星轨道和时钟差分校正数据及其他辅助数据，而配置构成前向波束的相控阵天线单元的数目和相位差则可控制前向波束宽度和EIRP值，以满足低轨道航天器TDRS中继接收机的需求。TASS规定了广播数据包组成和包格式、数据速率和调制编码方式等。TASS端到端的延迟大约为5s，其中包括3～4s的差分校正数据处理时间和1～2s的传输时延。通过TASS，搭载双频GPS接收机的低轨道航天器的实时定轨精度从1～5m提高至0．1～0．3m，时间精度由10ns量级提高至1ns量级，并且广播数据包含了GPS完好性状态信息［4］。

3 我国数据中继卫星系统

数据中继卫星是转发地球站对中、低轨道航天器的跟踪、遥控信息和转发航天器发回地球站的数据的通信卫星。数据中继卫星一般位于地球静止轨道（GEO），它有利的几何位置，能有效克服由于地球曲率和无线电波直线传播特性带来的负面影响，从而解决了测控、数传的轨道覆盖率和实时传输信息问题，具有很高的经济效益。经过多年的研发，我国已经掌握了中继卫星系统关键技术，并成功发射了3颗天链一号数据中继卫星。目前，天链一号中继卫星系统已经形成了包括东、中、西三星组网的准全球覆盖中继卫星系统。天链一号卫星星间通信链路使用单副S/Ka频段双馈源抛物面天线，测控信号使用S频段单址链路中继信号，星地高速通信使用Ka频段天线，卫星大型抛物面天线指向、捕获和跟踪使用星载闭环捕获跟踪技术。该系统可以为中国多种对地观测卫星提供数据中继服务，为中低轨卫星、航天器发射等提供测控中继服务，为特殊用途的飞机和其他飞行器等非航天用户提供测控和高速率数据中继服务［5］。中继卫星在为用户目标提供数据中继服务的过程中，可以利用前向传输信道为用户目标提供GNSS差分校正数据和其他辅助数据，用户目标利用这些数据结合自身GNSS接收机测量值计算出高精度的位置信息。高精度轨道的确定是执行空间任务的有效保证，是实现高精度轨道控制的前提和基础。

4 我国北斗卫星系统

北斗卫星导航系统是我国自行研制、独立运行的全球卫星导航定位与通信系统，空间部分采用地球静止轨道、倾斜地球同步轨道以及中轨卫星的混合星座设计模式［1］。2012年10月，第16颗北斗卫星成功发射，标志着我国北斗导航系统的区域组网工作已顺利完成，初步建成覆盖国内及亚太地区的区域性无源卫星导航系统。2016年2月，第21颗北斗卫星发射成功，标志着北斗卫星导航系统向全球组网建设目标迈出了坚实一步，现在北斗卫星导航系统在中国的定位精度已达到5m左右［2，6］。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10m，测速精度0．2m/s，授时精度10ns。授权服务是为全球用户提供更高性能的定位、导航和授时服务，以及为亚太地区提供广域差分和短报文通信服务，其广域差分定位精度为1m［6－7］。

卫星导航定位是利用一组导航卫星的伪距、星历、卫星信号发射时间等测量数据来实现的。由于用户钟差未知，因此，要获得用户的三维坐标，必须对4颗及以上卫星进行测量。在这一定位过程中，存在着三部分误差：第一部分是与卫星有关的误差，包括卫星钟误差、星历误差等；第二部分为传播路径误差，包括电离层误差、对流层误差、多径效应等；第三部分为用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、接收天线相位中心误差等。上述误差按误差性质可分为系统误差和随机误差两类，其中卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等属于系统误差，用户接收机误差等属于随机误差。无论从误差的大小还是从对定位结果的影响来看，系统误差都比随机误差大很多，系统误差可以通过差分技术加以消除或削弱［8］。在卫星数有限的条件下，获取导航卫星的差分（轨道、钟差）改正数和电离层改正数是提升定位精度的关键［2］。

差分改正数的获取须要借助于局域差分系统或者广域差分系统。目前，我国已经就差分技术进行了多次试验，例如“广域实时精密定位技术与示范系统”已通过验收，该系统以广域差分和精密单点定位技术为基础，充分利用我国现有卫星导航地面基准站资源，集成先进实时数据处理、互联网和卫星通信等技术，建成了我国高精度卫星导航增强示范系统，即BDS增强示范系统。该系统使得我国广域用户的定位精度从米级提升到分米级乃至厘米级［8－9］。文献［10］对北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能进行初步评估，试验结果表明：北斗伪距单点定位平面精度优于6m，高程精度优于10m，三维精度优于12m；北斗单频伪距差分平面精度优于1．5m，高程精度优于2m，三维精度优于2．5m［10］。文献［11］对北斗系统广域差分性能进行了评估，试验结果表明：北斗系统提供的广域差分服务进一步提升了系统服务性能，北京地区测试评估结果显示，单频差分服务精度优于5m，比普通单点定位精度提升了近30%；双频差分服务精度优于3m，比普通双频定位精度提升了近40%［11］。差分校正数据须要通过数据链实时传输给用户导航定位接收机，对于低轨卫星来说，可以借助于数据中继卫星来实时得到差分校正数据，提高自身定位精度。

5 我国数据中继卫星系统卫星增强服务的几点思考

卫星轨道信息是卫星应用的前提和基础，卫星的定轨精度取决于测轨技术和定轨方法两个方面，其中测轨技术起决定性作用。目前常用的测轨技术主要有卫星激光测距（Satellite Laser Ranging，SLR）、多普勒测速（Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite，DORIS）、精密测距测速（Precise Range and Range－rate Equipment，PRARE）和全球定位系统（GPS）技术。与SLR、DORIS和PRARE相比，GPS由于其成本低、设备轻便，又有全天候、高精度、连续观测的优点而成为低轨道航天器的主要测轨手段［12］。传统的GPS定轨方法是根据星载GPS接收机获取的伪距和载波相位等单点测量值，结合动力学模型，利用卡尔曼滤波获取卫星的定轨信息，这种方法可达到的定轨精度约为10m，利用文献［13］中方法，定轨精度可以提高至3m，基本满足高分辨率低轨遥感卫星对卫星定轨能力的需求［13］。文献［14］利用星载GPS数据进行海洋2A卫星快速精密定轨，可以确定径向厘米级精度的快速轨道，但该精密定轨技术为事后定轨，需要精密星历支持，并且定轨延迟至少为6h［14］。通过TASS，低轨航天器可以获得分米级的定轨精度和纳秒级的时间信息［4］，并且定轨延迟小于10h。目前，CDRSS已经实现准全球覆盖，BDS实现对国内及亚太地区覆盖，从GPS在国外低轨道航天器高精度跟踪测量方面的广泛应用来看［12，15］，我国低轨道航天器搭载BDS终端，发展CASS也将成为必然趋势。结合前面对美国TASS的分析，我国发展CASS须要注意以下几个问题。

1）加快建设北斗卫星导航系统的全球差分增强系统

星载GPS接收机定位精度主要影响因素为GPS卫星轨道误差、GPS卫星时钟误差、电离层延迟误差等，这三项误差均可以通过构建GDGPS系统来获得。BDS定位原理与GPS基本一致，这三项误差同样影响我国星载BDS接收机定位精度，提高星载BDS接收机定位精度须要构建BDS全球增强系统。目前，我国已经完成基于BDS的广域实时精密定位技术与示范系统，在这方面积累了一定的经验。BDS全球差分增强系统（Global Differential BDS，GDBDS）由于在国外参考站建站限制等原因尚未进行建设。通过加快建设GDBDS或区域增强系统来提高BDS广域用户定位精度有利于扭转BDS起步较晚这一不利情况。在构建GDBDS的过程中，可以参考GDGPS系统架构并结合BDS特点加以改进。

2）通过冗余提高GDBDS可靠性

美国GDGPS系统每个节点均采用了数倍的冗余来保证GDGPS系统99．999%的可靠性。同样，在构建GDBDS的过程中，需要考虑数据处理中心、传输线路、参考站等节点地理位置和数量上的冗余来提高系统可靠性，尤其要保证参考站的数倍冗余来对BDS完好性进行实时监测。同时，采用数据加密等方式来提高系统的安全性。

3）增加CDRS支持广播的能力

美国TASS利用3颗TDRS实现对地球0～1000km高度轨道的全覆盖，每颗TDRS使用自身S频段相控阵天线的三个阵元形成一个宽度为18°～20°的广播波束，24h不间断地向地面广播GPS校正数据［4］。该波束中心有效全向辐射功率（EIRP）为28dBW，±10°处EIRP为22dBW，假设低轨道航天器TASS接收机天线增益为－5dBi，则链路预算如表1所示，可以满足TASS接收机30dB/Hz的信噪比要求［3－4］。我国天链一号中继卫星虽然可以实现准全球覆盖，但不具备广播能力。相控阵多址天线通过配置可以形成多个前向波束，并且波束宽度可调整，各波束互不影响。由国外TDRS的发展现状可知：搭载S频段相控阵多址天线以便同时支持多个用户将是CDRS发展的必然趋势。这也满足我国CASS对CDRS的要求。

表1 TASS链路预算Table 1 TASS link budget

4）建立我国CASS标准

美国TASS广播数据内容、更新频率和精度如表2所示［3］。广播数据的一种帧结构如表3所示，其帧长为256bit，包含GPS卫星轨道校正值、时钟校正值、卫星完好性信息等。TASS广播信息速率为256bit/s，编码方式采用1/2卷积编码，采用2．5MHz的扩频码对BPSK调制信号进行直接序列扩频，并且每颗TDRS使用不同的扩频码序列，TASS接收机采用两种类型：一种将GPS/TDRS接收机集成在一起，另一种将GPS、TDRS接收机相独立［4］。CASS包括CDRSS、GDBDS、星载CDRS接收机和BDS接收机等部分，整个系统异常复杂。GDBDS数据传输格式、CDRS广播数据内容及传输速率、CDRS广播波束宽度和EIRP值、星载CDRS接收机等均须要有统一的标准来约定。目前，我国卫星导航应用政策和标准还不够健全，这会影响用户的拓展［1］。只有提前建立我国CASS的标准，才能为我国CASS的顺利实现和用户拓展奠定基础。

表3 TASS广播数据帧结构Table 3 Broadcast data frame format of America TASS

5）增加多系统联合定位技术支持

目前，全球有美国GPS、俄罗斯Glonass、欧洲Galileo和中国BDS四大GNSS。估计到2020年前，这四大系统均将具备全球导航定位能力。在复杂测量条件下，传统单系统双频导航定位往往面临可见卫星数不足，定位精度和可靠性差等问题。多系统联合定位的实施将为用户提供更多的备选组合测量值，增加可见卫星数，增强卫星几何强度，减少或消除单系统导航定位产生的系统误差，提高定位精度及可靠性［1］。例如：北斗/GPS组合载波相位差分动态定位精度相对于单一的GPS定位的改善可达20%以上［10］；GPS＋BDS组合的实时定轨精度较单个GPS系统至少提高26%［16］。在建立我国CASS标准的过程中，增加多系统联合定位技术支持，使星载GNSS接收机同时可以接收多个GNSS的导航数据，星载CDRS接收机可以接收多个GNSS增强系统的校正数据和辅助数据，具有两方面好处：一方面利用多个GNSS导航数据联合定位可以提高低轨道航天器的定位精度，另一方面可以提高低轨道航天器利用GNSS定位的可靠性。

6）CASS与BDS D2导航电文配合使用

BDS由5颗地球静止轨道（GEO）卫星、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO）卫星组成［17］。MEO/IGSO卫星在B1频点I支路发播D1码，D1导航电文速率为50bit/s，内容包含基本导航信息（本卫星基本导航信息、全部卫星历书信息、与其他系统时间同步信息）；GEO卫星在B1频点I支路发播D2码，D2导航电文速率为500bit/s，内容包含基本导航信息和增强服务信息（北斗系统的差分校正数据及完好性信息和格网点电离层信息）［17］。用户可以通过接收D2导航电文上广播的差分数据等信息来提高自身定位精度。GEO卫星分别定点于58．75°E、80°E、110．5°E、140°E和160°E，覆盖全球超过50%以上的区域［18－19］。另外，对于采用多系统联合定位技术的用户，还须要通过其他途径来获得BDS以外的其他导航系统的校正数据。因此，基于CDRS转发校正数据和通过接收D2导航电文获得校正数据两种方式可以配合使用，当用户仅使用BDS且位于BDS的GEO卫星覆盖区域内时可以通过接收D2导航电文获得校正数据来提高定位精度；当用户采用多系统联合定位或位于BDS的GEO卫星覆盖区域外时可以通过CASS来提高定位精度。

7）进行CASS试验，积累技术经验

美国最初通过在飞机上搭载TASS接收机来对TASS进行试验验证［4］，然后通过在低轨卫星上搭载TASS接收机对TASS进行验证，得到了0．1～0．2m的实时定轨精度［20］。目前，虽然天链一号中继卫星没有S频段相控阵多址天线，BDS全球增强系统尚未建立，但可以利用天链一号中继卫星系统的准全球覆盖特性中继BDS区域差分校正数据和其他辅助数据，对搭载BDS接收机和CDRS接收机的飞行器进行定轨精度验证试验，这些试验可以为CASS的后续实施积累技术经验。

6 结束语

目前，星载GPS接收机在低轨道航天器精密定轨方面获得了广泛应用［21］。但仅通过星载GPS接收机接收GPS信号测定卫星轨道，其定位精度非常有限，不能满足大部分任务的需求，美国通过TASS借助TDRSS来为低轨道航天器广播GPS校正数据和辅助数据，使得低轨道航天器达到分米级的定位精度，并且定轨时延小于10s，满足了大部分任务的要求。本文通过对美国TASS系统的分析，结合CDRSS和BDS发展现状，从系统可靠性、可用性等方面对发展我国数据中继卫星系统卫星增强服务提出了几点思考意见。

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（编辑：张小琳）

Study on Technique of Real－time Precise Orbit Determination for Spacecraft Based on Data Relay Satellite

WANG Hongfeng LI Qiang QIANG Shengli
（Beijing Space Information Relay Transmission Technology Research Center，Beijing 100094，China）

In this paper，by analyzing America TDRSS augmentation service for satellites and the present situation of China data relay satellite system（CDRSS）and Beidou navigation satellite system（BDS），several aspects for developing China data relay satellite system augmentation service for satellites（CASS）to determine the real－time precise orbit of LEO spacecraft are brought forward as follows：accelerating the construction of the global differential BDS（GDBDS）；improving system reliability of GDBDS through redundancy；increasing the capability of CDRSS to support broadcast；developing standards for CASS；increasing the joint positioning technical support of several Global Navigation Satellite System（GNSS）；using CASS in combination with BDS D2 navigation message data；conducting CASS experiments to accumulate technical experience．

GNSS；LEO spacecraft；data relay satellite；GPS；orbit determination

V19

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．015

2015－08－19；

2016－03－07

王洪锋，男，高级工程师，研究方向为航天测控。Email：infofusion@163．com。