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)航在軌長期性能驗證與分析

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)行驗證，用通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號實際在軌工作數(shù)據(jù)，在我國首次對GNSS導(dǎo)航的長期在軌性能進(jìn)行實測和試驗，并對導(dǎo)航精度進(jìn)行評估。介紹了GEO上GNSS導(dǎo)航原理和通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)。設(shè)計了轉(zhuǎn)移段(GNSS天線未展開)和定點后GNSS天線展開前后的導(dǎo)航性能試驗。給出了轉(zhuǎn)移段GPS/GLONASS的可用星數(shù)、GNSS的位速解算結(jié)果，以及定點后GNSS天線展開前后GNSS捕獲的星數(shù)與可用星數(shù)、位置精度因子和位速精度，并說明了性能試驗的有效性。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；定點后GEO上觀測到的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天線展開后位置精度因子和位速精度明顯優(yōu)于展開前。連續(xù)48 h數(shù)據(jù)獲得的實測位置精度優(yōu)于30 m，速度精度優(yōu)于0.05 m/s。本次在軌試驗證明了GNSS用于GEO軌道衛(wèi)星是可行的，為我國高軌衛(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

0 引言

GEO衛(wèi)星的軌道高度約36 000 km，可覆蓋地球超過三分之一的表面，該特點使GEO衛(wèi)星目前廣泛用于通信、導(dǎo)航和遙感等多個領(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，百米級的定軌精度能滿足衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)對軌道精度的要求。但隨著GEO衛(wèi)星在資源、導(dǎo)航定位與授時、跟蹤與數(shù)據(jù)中繼等領(lǐng)域的作用不斷增強(qiáng)，對軌道自身的確定精度要求已越來越高，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TDRSS中繼衛(wèi)星優(yōu)于10 m[1-3]。

目前GEO衛(wèi)星測定軌技術(shù)主要有地基測距測角和天基測距測速兩大類。地基一般采用長基線測距定軌方案，由多站測距完成。地基測量中包括測角跟蹤技術(shù)、甚長基線干涉測量技術(shù)(VLBI)、短基線連接元干涉技術(shù)(CEI)等。天基測距測速技術(shù)主要包括GEO-LEO的衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤和星載GNSS[3]。上述兩類測定軌技術(shù)中，地基測量離不開地面測距站的支持，所受的制約因素較多，如測距精度、頻率資源、星載測距設(shè)備、測距站布局等，其中對測距精度影響最大的是測距站的地理位置，即幾何精度因子(DOP)[4]。受客觀條件的制約，我國衛(wèi)星能選擇的測距站有限，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)星實施對GEO衛(wèi)星的測定軌，同樣受到LEO衛(wèi)星使用的限制。針對GEO衛(wèi)星使用地基和天基測量都面臨制約因素多、造價高、外部依賴性大的問題，國際上提出了將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、天基測量系統(tǒng)，通過GEO衛(wèi)星自身攜帶的GNSS導(dǎo)航接收機(jī)接收導(dǎo)航信號即可完成在軌自主導(dǎo)航，具造價低、使用方便、精度高等優(yōu)點，是目前國際上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)星通過對天面天線接收導(dǎo)航信號的條件好，可自主完成高精度測定軌，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，只能通過對地面天線接收地球另一面的“漏”導(dǎo)航信號。因受地球遮擋，信號傳輸路徑變長，GEO衛(wèi)星接收導(dǎo)航信號的可見星數(shù)、布局條件、信號強(qiáng)度和多徑效應(yīng)等條件變差。針對GNSS用于GEO衛(wèi)星自主測定軌的可行性，國內(nèi)外均開展了大量研究和試驗。

在GNSS導(dǎo)航用于GEO衛(wèi)星研究中，主要通過保證GNSS天線有足夠高的增益、提高GNSS接收機(jī)靈敏度，實現(xiàn)微弱GNSS信號快速捕獲、跟蹤保持，并以LEO軌道自主定軌算法為基礎(chǔ)進(jìn)行算法升級作為主要途徑解決相關(guān)問題。國外對此已完成理論研究，并通過在軌試驗證明了應(yīng)用的可行性[6-11]。如德國的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，通過在高軌段試驗證明在GEO衛(wèi)星上能跟蹤到GPS衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航信號，但也發(fā)現(xiàn)了GPS衛(wèi)星的可見性差、接收到的信號微弱、信號捕獲困難等問題；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)行了探測性試驗，結(jié)果表明在遠(yuǎn)地弧段實際接收的GPS信號的載噪比能達(dá)到40～47 dBHz(包括天線增益)，多普勒頻率約±10 kHz，50 h內(nèi)可見導(dǎo)航星在0～5顆間變化。相比國外已完成工程驗證，我國目前仍處在理論研究和數(shù)學(xué)仿真階段，急需開展GNSS導(dǎo)航在GEO軌道的長時間飛行驗證和測定軌性能分析。通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號在我國首次對GEO上GNSS導(dǎo)航的長期在軌工作和性能進(jìn)行試驗，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的可見星多，信號條件好。對中、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，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。地球半徑為6 378.14 km，由于地球遮擋GPS信號，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。

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和卡爾曼濾波方法。對高軌道GNSS自主定軌來說，因?qū)Ш叫菐缀畏植疾?，單純使用最小二乘估計方法的精度低，故可用基于軌道動力學(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力學(xué)模型預(yù)報軌道要素，再用實時數(shù)據(jù)中的偽距和多普勒觀測值對軌道要素進(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，用軌道動力學(xué)模型進(jìn)行外推預(yù)報，以偽距測量值對狀態(tài)量的預(yù)報值進(jìn)行濾波修正，通過坐標(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；具GPS等信號偽距測量能力；形成原始觀測數(shù)據(jù)通過總線送星載計算機(jī)，下傳地面用于精度分析；產(chǎn)生實時定位數(shù)據(jù)(UTC時間、三維位置、三維速度)通過總線送星載計算機(jī)，供姿軌控軟件使用；提供精確時間基準(zhǔn)。

2 通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)

2.1使用方案

2017年1月5日，作為國內(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)試驗衛(wèi)星二號成功發(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三個導(dǎo)航系統(tǒng)的信號，實時完成三維位置、速度解算和輸出，并將原始觀測數(shù)據(jù)通過數(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，故采用多系統(tǒng)聯(lián)合接收處理的方案可提高信號接收的概率，優(yōu)化導(dǎo)航星座布局，并提高測定軌精度，GNSS接收天線應(yīng)能同時接收BD2/GPS/GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星星座的信號，頻帶寬度顯著展寬。另外，GEO上GNSS接收到的信號非常微弱，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)試驗衛(wèi)星二號使用的GNSS天線在裝星前對不同頻點、不同角度的增益進(jìn)行了實測，結(jié)果見表1。

表1 GNSS天線實測增益

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)無星體遮擋。

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

3 通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號GNSS導(dǎo)航性能分析

通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號GNSS天線展開前波束視場被星體遮擋，GNSS信號接收受到干擾。在衛(wèi)星發(fā)射的轉(zhuǎn)移段，為避免1.3 m展開臂展開后對衛(wèi)星變軌飛行產(chǎn)生影響，在轉(zhuǎn)移段GNSS接收機(jī)開機(jī)但展開臂為鎖緊狀態(tài)。在衛(wèi)星定點后，為驗證星體遮擋對GNSS導(dǎo)航性能的影響，制定了定點后前1個月仍保持展開臂為鎖緊狀態(tài)，此后通過指令解鎖展開的方案，由此對比GNSS天線展開前后的導(dǎo)航性能。

3.1轉(zhuǎn)移段

2017年1月5日，GNSS接收機(jī)于星箭分離后開機(jī)驗證接收機(jī)在轉(zhuǎn)移軌道的工作情況。GNSS接收機(jī)開機(jī)后，GNSS天線按計劃未實施展開操作。

3.1.1 捕獲星數(shù)

根據(jù)遙測下傳的觀測結(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天線處于未展開狀態(tài)且姿態(tài)不確定，天線波束視場受星體遮擋較大，但GNSS接收機(jī)仍可捕獲并使用GPS，GLONASS信號，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偽距測量定位原理，用戶星與導(dǎo)航星間以距離為基本觀測量，根據(jù)時間測距進(jìn)行導(dǎo)航定位。假設(shè)第j顆導(dǎo)航星于時刻tsj發(fā)播導(dǎo)航信號，該信號于時刻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)時鐘與導(dǎo)航星時鐘、各導(dǎo)航星時鐘間不可能完全同步，會引入誤差Δt=ΔtR-Δtj-ΔtS。此處：Δtj為導(dǎo)航星j鐘面時鐘距離準(zhǔn)確時刻的偏差，可由地面監(jiān)控系統(tǒng)測定，并通過衛(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)鐘面時鐘距離準(zhǔn)確時刻的偏差，一般用戶很難測定，為未知量；ΔtS為在用戶接收機(jī)同時接收到不同導(dǎo)航星座的信號時需考慮的，是不同導(dǎo)航星座鐘面時鐘的偏差，一般也難以測定，亦為未知量。由此，式(2)中最多包含未知量5個(如只接收單個導(dǎo)航星座的信號，則只有未知量4個)。用戶接收機(jī)需至少同時對5顆或4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，測得5個或4個偽距觀測值ρj(j=1,2,3,4,5)，組成5個或4個觀測方程聯(lián)立求解，即可測定用戶接收機(jī)坐標(biāo)(X,Y,Z)。

另衛(wèi)星在變軌飛行過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)實時輸出的WGS84坐標(biāo)系中坐標(biāo)；(X0，Y0，Z0)為WGS84坐標(biāo)系原點(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信號實施聯(lián)合定位定軌，實時輸出衛(wèi)星坐標(biāo)(X，Y，Z)，通過遙測下傳。地面根據(jù)式(3)描繪的衛(wèi)星在變軌飛行過程中軌道高度變化與地面測控系統(tǒng)實際測得的衛(wèi)星真實情況一致(以第1～2圈為例，如圖6、7所示)，說明GNSS接收機(jī)位置解算結(jié)果正確、數(shù)據(jù)可用。

圖6 地面測控系統(tǒng)實際測得飛行第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

對轉(zhuǎn)移段中較關(guān)注的衛(wèi)星速度，在僅從遙測通道獲取GNSS接收機(jī)觀測結(jié)果的有限條件下，用GNSS接收機(jī)定位定軌所得的相鄰時刻位置偏移量與該時刻實測速度值進(jìn)行對比，驗證位置速度的一致性，有

(4)

位置速度比對結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：偏移量與實測速度的差值均小于0.04 m/s，說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)移段飛行過程中，GNSS天線未展開狀態(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定點后

衛(wèi)星定點1個月后，GNSS天線按計劃展開。根據(jù)天線展開前后數(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，對天線展開前后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)

天線展開前后各取連續(xù)48 h數(shù)據(jù)，對GPS，GLONASS，BD2的捕獲星數(shù)、可用星數(shù)同時進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9～14所示，統(tǒng)計見表2。由結(jié)果可知：在GEO可接收到三個導(dǎo)航系統(tǒng)的信號，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：天線展開前后天線波束視場范圍不同，在展開后無遮擋條件下，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GPS信號的接收中表現(xiàn)最明顯，但在對BD2信號的接收中表現(xiàn)不明顯，這主要是因為目前BD2星數(shù)少，且布局上暫時只能滿足我國區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍枨?，GNSS接收機(jī)捕獲和可用的“漏”BD2信號少。

表2 三個導(dǎo)航系統(tǒng)的捕獲/可用星數(shù)

圖10 天線展開后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，提供給定精度級別的GNSS導(dǎo)航功能的可用性取決于對某個特定觀測位置和時間來說的導(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)。通過對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左右時表示導(dǎo)航星幾何布局較好，λDOP為40左右時則較差。

天線展開前后各選取連續(xù)48 h數(shù)據(jù)，對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天線展開前λDOP大部分時間小于60，但個別時段大于100，表明星座布局較差，且個別時段無法滿足使用要求；展開后λDOP優(yōu)于展開前，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 展開前位置精度因子Fig.15 Statistics of DOP before antenna outspread

圖16 展開后位置精度因子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下傳的原始觀測量信息，在地面用動力學(xué)公式進(jìn)行事后精密定軌，可作為衛(wèi)星位速的真值，以評估GNSS在軌性能。

天線展開前后各選取連續(xù)48 h數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，展開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表3。結(jié)果表明：天線展開前后在GEO軌道GNSS導(dǎo)航均可獲得較高的位置和速度精度；天線展開后由于天線波束視場變大，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)試驗衛(wèi)星二號GNSS導(dǎo)航實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)星對位置精度的要求。

圖17 展開前事后精密定軌與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天線展開前GNSS天線展開后三軸位置(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)試驗衛(wèi)星二號為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)試驗衛(wèi)星二號不同的其他定點位置處，其接收導(dǎo)航信號的條件與通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號一致，本文分析的性能依然適用。

4 結(jié)束語

通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號在我國首次開展了GNSS導(dǎo)航在GEO軌道的長時間在軌工作和性能實驗，本文以連續(xù)48 h數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行測定軌性能評估。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)星定點后天線完全展開后GNSS接收機(jī)收星情況明顯優(yōu)于展開前。根據(jù)接收機(jī)實時定軌結(jié)果與事后高精度定軌數(shù)據(jù)比對結(jié)果分析，實測位置精度優(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)星對位置精度的要求。后續(xù)可基于通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號對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。

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GEO衛(wèi)星提供了一種新的測控手段，有效改善GEO衛(wèi)星的測控精度，而且提高了我國GEO衛(wèi)星自主管理水平，可為GEO衛(wèi)星的軌位設(shè)計、軌道機(jī)動、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)計研究。

TN967.2

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