【分享】GPS在空间飞行器上的新应用探讨

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摘要  
　　GPS已在空间飞行器得到广泛应用，可用于空间飞行器的定位、测速、授时和姿态确定，并且可在低轨道、 转移轨道、地球静止轨道上应用GPS系统。 关键字：  
关键词：
　　GPS 卫星 导航
1.前言
　　GPS最初的设计目标是为地面的、海上的和航空用户提供导航定位业务，早期在空间飞行器上的应用也在landsat-d上得到了验证。国外研制GPS定位设备用于空间飞行器的自主定位已有成功的范例。目前做定位、测速、授时使用，其利用C/A码所能达到的测量精度和国内研制的水平相当，人们也在不断发掘着GPS的应用潜力的同时，也在不断拓展GPS在空间应用的各种领域。从单纯的利用GPS接收机确定空间飞行器的位置、速度和对应时间，到应用GPS来确定空间飞行器的姿态，从利用地面的差分系统为飞行器的高精度定轨，到为了提高可靠性而将GPS系统和其他如INS惯导、地磁、星敏感器等传感器组合等。GPS的应用空域也从低轨道延伸到转移轨道，甚至地球同步轨道。从在轨运行的正常测量到入轨点和返回再入点的精确确定。最复杂的可能应用领域是空间飞行器交互对接的全过程都利用GPS，已有多篇报告和设计方案论述利用GPS系统或者利用GPS和INS结合的系统，自主地确定空间飞行器之间的相对位置、相对速度、相对姿态等，为空间飞行器的交会对借业务提供测量手段。特殊设计GPS接收机还装载与空间飞行器上用于对大气层和电离层的检测。  
　　概略地说在空间飞行器上使用GPS可以有以下几点好处：  
　　改善定位精度。对近地轨道的卫星使用GPS定位已经得到了验证，其所得到的定位精度是普通的地面无线电测量系统不能比拟的，随着摄影、照相侦察、测绘、资源勘察、早期预警卫星的应用，对实时的高精度定轨的需求会越来越高。
　　降低设备成本。使用GPS接收机可以降低对传统的卫星测控上设备的要求，使星上转发器简单化。同时还可以提供高精度的时间同步信息和一般的姿态信息。 l 降低设备成分。使用星上GPS接收机可以节约地面跟踪系统的开销。  
　　增强卫星的自主能力。自主的确定飞行器的位置速度和对应时间可以使空间飞行器自主的完成有效载荷或者姿轨控系统在特定的位置，速度和对应时间完成的工作。可以使卫星自主的维持所需的轨道，或者在小卫星编队飞行时自主的提供相对位置、速度和对应时间。交汇对接中应用GPS也是如此。
2．在卫星上使用GPS/GLONASS  
　　陆地卫星四号（landsat-d）是第一个在轨使用GPS接收机的卫星，从那时起，接收机的技术不断发展，现在很多小卫星平台都可以使用小型的、先进的GPS接收机进行授时、定位和测速。  
　　空间使用的GPS接收机和地面使用的GPS接收机的很大的不同在于两点：一是接收机要跟踪较高的多普勒频率和频率变化率，对于地轨道卫星来说，频率的的变化范围可能在±60kHZ，二是要适应空间环境，保证高可靠性。在卫星上使用GPS接收机定轨已经得到了充分的验证，下一步的挑战是利用GPS接收机进行姿态确定工作，国外已发射了几个飞行器进行这方面的验证工作。另外在转移轨道和静止地球卫星轨道，也正在论证利用GPS进行飞行器位置和速度的确定，并已进行了一些实验工作，在航天飞机上实验了GPS的实时定位数据和TDRS数据比较并用于辅助航天器控制。
　　2.1在转移轨道和地球同步轨道应用GPS  
　　有效的使用地球同步轨道的位置，对于现在越来越紧张的地球同步轨道位置来说，显得十分重要，而如何精确自主的确定空间飞行器的轨道就是解决上述问题的前提。尽管同步卫星轨道的位置在GPS星座（22 000 km）上方、仍然可以利用GPS来为其进行导航定位。德国的EQUATOR-S卫星在1997年12月2日发射入轨，转移轨道200km-36 000km,在最终轨道为500km-67 000km。在轨实验了GPS信号轨道的几何分布，行道，以及测量量，如位置、伪距、载波相位的测量 ，实验将来可能对同步轨道应用GPS产生很大的影响。图2-1是同步轨道利用GPS系统的示意图，可以看出，此时卫星利用的是在地球另外一面也同步卫星相对的导航卫星的信号。在高轨道上使用的GPS接收机与已经成熟的低轨道的应用有如下不同：
　　选星算法不一致；  
　　多普勒频移的预报不一致；  
　　高灵敏的接收机前端。  
　　在同步轨道观测的导航星的数量和时间的对应关系如如下：  
　　可以看到，在同步轨道观察的导航星的数量一般不足四颗，不足以维持正常意义上的GPS定位结算，如果要得到正确的导航定位结果一般可以以下几种方法解决。  
　　单独跟踪GPS导航信号，结合轨道动力学模型，经过滤波给出用户卫星的定位结算结果。  
　　跟踪GPS导航星和地面站跟踪相结合已给出更好的定位精度。下土是有关文献介绍的地面跟踪系统和GPS定位相结合的效果，轨道确定的精度明显的得到提高。
　　GPS卫星跟踪结合地面伪卫星的跟踪方案  
　　与地面站跟踪的方法类似，在地面精确测绘的点上设置类似于GPS，选择合理的布局，可供在其上方的飞行器进行导航定位。
　　伪卫星系统一般由三个主要的部分：主控站、伪卫星、用户接收机组成。地面伪卫星发射类似以GPS的导航卫星的信号。该方法可以较经济的用于确定同步轨道的卫星位置。  
3 GPS在空间飞行器交会对接中的应用  
　　3.1日本TES-7交会对接实验
　　日本TES-7由一个追赶的飞行器和目标飞行器组成，实验的目的是验证交会对接和空间机器人的基本技术。通过数据中继卫星进行轨道运行的技术一直在研制中。  
　　该飞行器于1997年11月28号发射，轨道高度550km，倾角35度，追踪飞行器重量2540kg，目标飞行器重量410kg，追踪和目标飞行器均为三轴稳定。  
　　交会对接试验的目的有如下几条：  
　　在轨交会对接设备的功能验证；
　　评估在轨自动和遥控导引交会对接；  
　　验证两个飞行器同时操作。  
在飞行试验中的相对接近阶段，验证了导引和控制系统利用了伪距和伪距差分GPS进行相对导航定位的全部性能和功能。
Masatoshi HARIGAE.(Control Systems Divistion)认为：GPS可以在交会对接过程的几乎所有阶段进行相对导航，研制了利用载波相位差分进行相对导航的增强GPS接收机，通过模糊数滤波器，相位模糊数可以在几分钟内解决，从而可以得到精度在几厘米的载波测量，从而相对导航定位的精度可以优于1m（1sigma）。
3.2 ESA，NASA在交会对接中使用GPS的考虑  
　　NADA 约翰逊空间中心以及麦空间公司的技术人员研制了一种实时的利用相对GPS的扩张的卡尔曼滤波器，用于辅助与国际空间站的自主交会对接，滤波器选用追踪飞行器和目标飞行器公用交会对接，该滤波器和现有的航天飞机航天员交会软件相结合，在有S/A的情况下，使用单频C/A码接收机，在接近段将测量交给其他传感器，因而不需要亚厘米级的精度，滤波器只处理伪距测量量，米的是求的最大的相对状态估计精度，在航天飞机的STS-69飞行中，将OSBORNE/JPL的TURBOROGUE接收机装于一个自由飞行器上，航天飞机上携带的是ROCKWELL COLLINS的3M接收机，试验的结果用于减轻国际空间站的合作者GPS自主交会对接的技术风险。  
　　ESA在为国际空间站服务的自动运输机（ATV）上将要使用GPS作为与空间站交会的测量手段。ESA建议的与国际空间站连于一体的哥伦布实验室上将要石油GPS作为定位测速授时的手段。
　　NASA/STV由自主交会对接的能力，STV用于建设供给和修理永久性飞行器上使用GPS来确定位置和姿态。
4 GPS在空间电离层探测上的应用  
　　当GPS信号穿过大气层到达一个低轨道飞行器时，信号的相位和幅度受到信号传播路径上介质的影响，接收到的信号的相位变化有效的表征了电离层（60-1000km）和大气层（0-50km）的特征。对信号的折射，反应了电离层的电子浓度，大气层的温度和压力。并且也反映了对流层中水气的影响。
　　信号从发射机到接收机的相位变化，是这项技术的主要观测量，相位的变化主要取决于：  
　　低轨卫星相对于GPS导航星的变化；  
　　GPS卫星和低轨道卫星的钟误差；  
　　大气层的影；  
　　因而为了反演得到大气层的特征，必须精确消除前两项的影响。  
　　由于大气的影响，信号的折射率可以表示为： N=(n-1)*106-77.6 P/T-t3.73*105 PW/72 -40.3*106 ne/f2  
　　其中，P是总的压力（毫巴），T是温度（K），PW是水气压力（毫巴），ne是电子浓度（m-3），f是频率（HZ），n是折射指数。
　　如果安装在低轨道卫星上的GPS天线具有360度的全向跟踪能力，在每天每颗低轨卫星会有750次切割大气层的机会，大倾角的低轨卫星可以均匀的覆盖地球表面，在大气层的探测方面更具有优势。  
5 结论  
　　随着GPS系统的部署完整和不断的增强，空间飞行器使用其导航定位的益处越来越明显，在低轨道应用GPS导航定位已经趋于成熟的时候，取在空间的应用再向两方面扩展，一方面是不断挖掘GPS自身的应用潜力，如用于确定飞行器的姿态，和惯导结合来提高系统的可靠性和可用性，利用高精度的载波相位测量量来进行空间大气层和电离层的研究。另一方面取应用的范围从低轨道向高轨道如转移轨道、同步轨道扩展。对空间飞行器的测控带来了一些新的课题。我们在已取得成果的基础上，可以和国际上空间应用GPS的潮流同步研究，以便使的这些新技术、新概念能够为我所用。 （航天部503所） 郭建宁