高軌太空：GPS的下一個(gè)高邊疆
——高軌道導(dǎo)航應(yīng)用帶動(dòng)全球GNSS合作

高軌太空：GPS的下一個(gè)高邊疆
——高軌道導(dǎo)航應(yīng)用帶動(dòng)全球GNSS合作

編者按

利用GPS進(jìn)行太空導(dǎo)航日益受關(guān)注，美國(guó)已開始對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究，高軌道導(dǎo)航服務(wù)將成為GPS下一個(gè)高邊疆。本刊翻譯了《Inside GNSS》期刊2014年11-12月合刊中的《Space——the Next GPS frontier 》一文，僅供參考。

目前出現(xiàn)了一種新型GPS接收機(jī)，這類接收機(jī)利用GPS信號(hào)，在中地球軌道GPS星座以外數(shù)萬(wàn)千米的GEO軌道上導(dǎo)航。新的航天維修操作任務(wù)，如機(jī)器人對(duì)受損或故障通信衛(wèi)星的維修和恢復(fù)，在這種接收機(jī)的幫助下成為可能。

NASA倡導(dǎo)開發(fā)的這種新接收機(jī)已經(jīng)獲得了相當(dāng)?shù)某晒Γ偈姑绹?guó)空軍也開始支持這一新應(yīng)用?？哲娨巡捎孟鄳?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以保證越來(lái)越多的高軌道應(yīng)用以及探月任務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)作。

美國(guó)空軍不是唯一給予支持的組織。聯(lián)合國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)（ICG）已考慮由其他衛(wèi)星導(dǎo)航提供商支持實(shí)施這項(xiàng)服務(wù)的相關(guān)事宜，這將極大地改進(jìn)更高軌道的導(dǎo)航服務(wù)。

現(xiàn)狀

利用GPS進(jìn)行太空導(dǎo)航并不是一個(gè)新概念。NASA戈達(dá)德太空飛行中心的導(dǎo)航工程師Luke Winternitz說(shuō)，對(duì)于近地軌道航天器來(lái)說(shuō)，GPS接收機(jī)在過去的十年里已經(jīng)是“標(biāo)準(zhǔn)配置”了。

這種星載接收機(jī)通過減少對(duì)衛(wèi)星的昂貴的地面跟蹤需求，來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本。

Winternitz說(shuō)：“這就像地面上擁有接收機(jī)一樣，通過后處理，利用GPS能獲得極高的精度。”

由于GNSS接收機(jī)非常有用，所以全球的宇航機(jī)構(gòu)都正在把它應(yīng)用到自己的航天器中。NASA空間通信與導(dǎo)航項(xiàng)目部負(fù)責(zé)政策和戰(zhàn)略通信的副主任Jim Miller說(shuō)，據(jù)NASA統(tǒng)計(jì)，共有近80個(gè)已發(fā)射或計(jì)劃發(fā)射的航天任務(wù)裝備了GPS接收機(jī)，而且?guī)缀醵际?000年以后的項(xiàng)目。

Miller說(shuō)：“幾乎每個(gè)航天任務(wù)都要裝備某種GNSS接收機(jī)，如GPS或多模導(dǎo)航接收機(jī)?！?/p>

這里所說(shuō)的最新高邊疆，是在極高軌道運(yùn)行的航天器上應(yīng)用GPS的能力。一種結(jié)合GPS信號(hào)和軌道動(dòng)力學(xué)的新型接收機(jī)，能夠在距地球36000km的地球同步軌道上確定衛(wèi)星的位置，精度約100m，而GPS衛(wèi)星位于20000km的中軌道。

☆ MMS衛(wèi)星圖

Winternitz領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)為NASA開發(fā)了一種名叫領(lǐng)航者（Navigator）的接收機(jī)，該接收機(jī)是一種超高靈敏的星載接收機(jī)，能對(duì)快速獲取信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。領(lǐng)航者接收機(jī)是NASA用于測(cè)量降雨、降雪的全球降水測(cè)量衛(wèi)星的主要導(dǎo)航敏感器，也是NASA戈達(dá)德太空飛行中心的磁層多尺度探測(cè)衛(wèi)星（MMS）的導(dǎo)航支撐技術(shù)。MMS于2015 年3月發(fā)射，由4個(gè)完全相同的航天器實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行，均利用領(lǐng)航者接收機(jī)來(lái)保持編隊(duì)飛行時(shí)的精確相對(duì)位置，從而在非常高的地球軌道上測(cè)量地球保護(hù)性磁層的三維結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性。

領(lǐng)航者處理載噪比靈敏度的算法比傳統(tǒng)天基GPS接收機(jī)的靈敏度低得多，因此可以從距離GPS星座很遠(yuǎn)的地方接收信號(hào)。據(jù)NASA論文《探月任務(wù)的GPS接收機(jī)》中介紹，領(lǐng)航者能夠在載噪比靈敏度低至22～25dBHz時(shí)捕獲到微弱的GPS信號(hào)。

仿真試驗(yàn)表明，接收機(jī)在探月任務(wù)的不同階段都可以發(fā)揮作用。在返回階段，領(lǐng)航者能捕獲距地球200000km處的GPS信號(hào)主瓣信號(hào)和距地球100000km處的旁瓣信號(hào)。這足以幫助探月航天器在159000km高度進(jìn)行第一次軌道修正。

如何實(shí)現(xiàn)

高軌接收機(jī)設(shè)計(jì)者完成這樣的壯舉，所依據(jù)的事實(shí)是：GPS信號(hào)并非全部到達(dá)地球表面，每個(gè)信號(hào)都有某些輻射能量還能延伸到地球邊緣之外。

想象一下，你抬頭望向路燈，然后舉起一只籃球置于眼前，欲將燈光遮住。這樣做雖然管用，但并不能擋住所有光線，沿著籃球邊緣仍可看到一些光芒，這種情形就像GPS信號(hào)沿地球邊緣外溢一樣。攜帶GPS接收機(jī)的衛(wèi)星在飛越這些外溢信號(hào)時(shí)，就可以采集并捕獲有用信息。

這也意味著，位于地球一側(cè)的航天器能捕獲到從地球背面另一側(cè)GPS衛(wèi)星沿地球邊緣外溢的信號(hào)。這項(xiàng)技術(shù)有其局限性，因?yàn)榈厍驌踝×诵盘?hào)的大部分，但是GPS星座中有幾十顆衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)，因此該航天器總能捕獲到另一些GPS信號(hào)的旁瓣信號(hào)。如果對(duì)其他GNSS星座傳輸?shù)男盘?hào)加以利用，將大大增加潛在可用信號(hào)數(shù)。

利用這一特性，就可以為極高軌道上的衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航。實(shí)際上，GEO軌道上的通信衛(wèi)星就能夠利用這項(xiàng)技術(shù)。

Miller說(shuō)：“許多商用衛(wèi)星供應(yīng)商開始在其通信衛(wèi)星上配備GPS接收機(jī)。這些衛(wèi)星在哪兒？它們不在低地球軌道，而在GEO軌道上。因此，除了GEO通信衛(wèi)星，這項(xiàng)技術(shù)在商業(yè)太空領(lǐng)域還包括未來(lái)衛(wèi)星維修操作中得到應(yīng)用，事實(shí)上還能夠利用機(jī)器人修復(fù)GEO衛(wèi)星。所以，確切知道衛(wèi)星的位置變得越來(lái)越重要，我們利用GPS信號(hào)進(jìn)行位置保持及其他應(yīng)用。”

美空軍的支持

只有在GPS衛(wèi)星信號(hào)的波束寬度足夠?qū)挷⒛苁共糠帜芰垦氐厍蜻吘壨庖鐣r(shí)，這項(xiàng)技術(shù)才有效。這一點(diǎn)現(xiàn)在得到了保證。美國(guó)空軍承諾維持這些信號(hào)，現(xiàn)在GPS信號(hào)能夠到達(dá)的太空區(qū)域?qū)⑷缤酝粯永^續(xù)得以保留。相比空軍之前的態(tài)度，這絕對(duì)是個(gè)轉(zhuǎn)折。

Miller說(shuō)：“他們過去曾希望GPS能對(duì)多數(shù)用戶更高效，他們想，‘嗯，我們要使這束信號(hào)更集中，這樣就能有更多的信號(hào)聚焦到地球上，因?yàn)橥庖绲哪芰勘焕速M(fèi)了，沒人用?！覀冋f(shuō)，‘等等！我們還要好好利用這些外溢信號(hào)呢?！?/p>

Miller還說(shuō)：“我們能證明這是很有用的。我們只是需要一定程度的保證他們?cè)谠O(shè)計(jì)未來(lái)衛(wèi)星時(shí)，應(yīng)是后向兼容的，而且不會(huì)影響信號(hào)的波束寬度或功率水平。一旦他們看到了好處，想都不用想就會(huì)支持我們?！?/p>

針對(duì)偽距精度、接收功率、信號(hào)可用性，美國(guó)空軍采用了一套服務(wù)規(guī)范，GPS III空間服務(wù)區(qū)域（SSV）的要求/性能參數(shù)見表1-2。

表1 SSV GPS III民用信號(hào)接收功率最小需求

表2 SSV GPS III可用性參數(shù)★

注：★ 標(biāo)稱優(yōu)化GPS III星座，且無(wú)GPS衛(wèi)星故障；特定高度范圍內(nèi)95%信號(hào)可用性。

★★ 連續(xù)中斷少于108min。

★★★ 連續(xù)中斷少于84min。

美國(guó)空軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）發(fā)言人確認(rèn)：“這些太空應(yīng)用十分成功（和有用），因此空軍認(rèn)識(shí)到SSV的需求是地面服務(wù)區(qū)域（TSV）需求的必要擴(kuò)展。”

GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)（SPS PS，參見http://www.gps.gov/technical） 定 義，SSV為距 地 面3000～36000km的近地區(qū)域（即GEO衛(wèi)星范圍）。

聯(lián)邦無(wú)線電導(dǎo)航計(jì)劃（FRP）（見www.gps.gov）旨在應(yīng)對(duì)不斷增加的SSV和TSV用戶的需求。

天基應(yīng)用的支持者致力于改進(jìn)導(dǎo)航解決方案，擴(kuò)展信號(hào)可用性。最近他們說(shuō)服洛克希德·馬丁公司和美國(guó)空軍公布GPS Block II和IIRM衛(wèi)星天線方向圖的相關(guān)信息（相關(guān)數(shù)據(jù)參見http://www.lockheedmartin.com/us/ products/gps/gps-publications.html）。

幫助NASA研發(fā)在高軌道使用GPS的顧問Frank Bauer解釋說(shuō)，天線方向圖能幫助工程師更好地理解這些可用的GPS信號(hào)，從而設(shè)計(jì)出能最大限度利用GPS信號(hào)資源的衛(wèi)星，并獲得最佳性能。

Bauer告訴《Inside GNSS》：“要記住，我們依賴那些溢出地球的微弱殘留信號(hào)?？茖W(xué)家和工程師們?cè)噲D從GPS系統(tǒng)中獲取盡量多的信號(hào)。如果我們能更好地理解這個(gè)系統(tǒng)，我們就能得到更多，也就是做到性能最優(yōu)?！?/p>

例如，天線方向圖量化天線特性，包括主瓣和旁瓣增益等。工程師能夠利用那些旁瓣（從主信號(hào)溢出的仍然有用的能量）來(lái)提高可用性。

Winternitz同意這樣的觀點(diǎn)，“你可以研究GPS信號(hào)的可用性，并估計(jì)其性能。因此，知道天線的方向圖很重要。方向圖還能告訴我們信號(hào)是否變形，從而知道它是否需要矯正?！?/p>

Bauer說(shuō)，更好的導(dǎo)航性能意味著更好的結(jié)果。對(duì)于GOES-R氣象衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，這意味著更準(zhǔn)確的天氣信息。GOES-R是第一顆使用高于導(dǎo)航星座的業(yè)務(wù)衛(wèi)星。

到目前為止，洛克希德·馬丁公司是唯一一家公布GPS天線方向圖的公司。

該公司在一份聲明中說(shuō)：“GPS擁有超過10億用戶，對(duì)GPS L頻段民用信號(hào)數(shù)據(jù)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，包括利用GPS驗(yàn)證航天器導(dǎo)航操作的產(chǎn)業(yè)界用戶。作為GPS IIR和IIR-M衛(wèi)星（它們的數(shù)量在現(xiàn)有GPS星座中超過60%）的開發(fā)者，洛克希德·馬丁公司具有獨(dú)特的地位，并且17年以來(lái)在為美國(guó)空軍維護(hù)這些在軌系統(tǒng)方面扮演重要角色。這些衛(wèi)星的L頻段廣播天線方向圖數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，洛克希德·馬丁公司就公開發(fā)布事宜和空軍協(xié)調(diào)，希望業(yè)界能充分利用這些極有價(jià)值的數(shù)據(jù)。”

波音公司尚未回應(yīng)發(fā)布GPS IIF衛(wèi)星天線方向圖數(shù)據(jù)的問題。

GNSS全球合作

Miller說(shuō)，下一步要做的就是，通過整合來(lái)自其他衛(wèi)星導(dǎo)航星座的信號(hào)，改進(jìn)高于GPS星座的導(dǎo)航精度。

Miller說(shuō)：“在GEO軌道高度，同一時(shí)間只有一顆或兩顆GPS衛(wèi)星可被利用。然而，如果有一個(gè)用于高軌的多模導(dǎo)航接收機(jī)，并且其他GNSS導(dǎo)航服務(wù)提供商也支持SSV，那么總有至少4顆GNSS衛(wèi)星信號(hào)可見；如果地球上空36000km處能得到非常精確的定位，對(duì)任務(wù)規(guī)劃者來(lái)說(shuō)，這很厲害了。”

Miller說(shuō)，只利用GPS系統(tǒng)，雖然也可以確定GEO衛(wèi)星的位置，但其絕對(duì)位置精度大約是100 m。如果加上伽利略系統(tǒng)，有時(shí)有2～3顆衛(wèi)星可見。如果加上GLONASS，則總有4顆衛(wèi)星可見。如果加上北斗系統(tǒng)則能增加得更多。一個(gè)4星座的GNSS組合能提供最高的精度和完好性。

為了能促成GNSS多星座使用，不同GNSS服務(wù)提供商需要采取相同的SSV定義和規(guī)范才能更好地使用GNSS信號(hào)。

在2014年11月12日ICG布拉格會(huì)議的演示中，Miller呼吁各國(guó)代表團(tuán)都參與完成SSV定義、制定規(guī)范、公布其星座天線數(shù)據(jù)。

《Inside GNSS》得知，ICG已將其納入B工作組任務(wù)，將發(fā)布該技術(shù)的信息。

這一話題吸引了極大的關(guān)注。歐洲、俄羅斯和中國(guó)在布拉格都做了關(guān)于高軌應(yīng)用的報(bào)告。歐洲做了有關(guān)GNSS方案對(duì)高軌導(dǎo)航的益處的研究，他們“完全認(rèn)同可互操作的GNSS SSV的重要性”。他們預(yù)計(jì)在春季完成其SSV的表征。

中國(guó)也在做相關(guān)工作，并建議將PDOP（位置精度因子，反映衛(wèi)星幾何定位精度的乘法效應(yīng)）納入討論。俄羅斯代表團(tuán)提出了有趣的建議：在GNSS衛(wèi)星背面安裝天線，向太空廣播信號(hào)。

● 高珍_編譯

● 曉春_校