北斗系統在我國航天任務中應用前景的研究

李 強

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

1 引言

航天測控系統是對運載火箭和航天器進行跟蹤、測量、監視和控制的技術系統，用于保障火箭和航天器按照預定狀態飛行和工作，是航天任務系統的重要組成部分［1］。我國航天測控系統經過幾十年發展，形成了以地基為主的航天測控網，圓滿完成了一系列載人飛船和各種軌道衛星的測控任務。

隨著我國航天事業的蓬勃發展，航天測控系統原有的規模、數量型發展方式已不能適應航天任務發展的需要，未來必須走能力、效益型發展道路。

發達國家航天測控系統的發展道路是：由陸基為主，向海、空、天基拓展，最終向天基為主，陸、海、空基為輔的天基測控轉型。測控系統包括測量和控制兩大功能，全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）和數據中繼衛星系統分別是天基測量和控制的兩大支撐系統。

我國前期的天基測量主要基于美國全球定位系統 （global positioning system，GPS）開展了一些具體應用研究工作。隨著我國自主的北斗衛星導航系統 （以下簡稱 “北斗系統”）的建成運行，我國天基測量系統將迎來自主發展的新階段。如何在航天任務中統籌規劃應用北斗系統，構建適合我國國情的天基測量系統是當前急需解決的問題。

本文總結了國內外天基測量系統的發展脈絡及啟示，分析未來航天任務應用需求，探討了天基測量系統發展目標、總體思路和發展步驟，規劃了天基測量系統的技術體系結構，分析了關鍵技術問題，以此探索我國天基測量系統的發展道路。

2 國內外基于GNSS天基測量系統發展歷程

航天測量系統主要沿兩個方向的主線發展：

1）系統性能 （精度和作用距離等）和功能（多目標測量能力和目標特性測量能力等）不斷增強；

2）為適應不斷復雜的航天任務需求，提高測控效率和覆蓋率，測控平臺不斷拓展。

首先，通過將測量設備安裝在車載平臺上提高其可移動性；接著，為適應航天器發射和在軌管理高覆蓋測控要求，測量系統拓展到了海上；為彌補海基測量系統機動性差，對高速目標的單站跟蹤測量覆蓋率低的不足，美軍稍后開始發展空基測量系統。

站得更高，就看得更遠。為進一步提高測量覆蓋率，前蘇聯1957年發射第一顆人造地球衛星后不久，將測量站由地面搬到太空，即天基測量的設想立即引起了各國的高度重視。

2.1 國外基于GNSS的天基測量系統發展

國外天基測量系統發展可分為五個階段：

1）嘗試階段。美軍在1958年啟動了子午衛星系統建設，首次實現了全球衛星導航。但其在實時性、連續性和精度等方面存在明顯不足，難以滿足航天任務要求［2］。

2）設想階段。20世紀70到80年代，提出了GPS計劃，同時設計研制了基于GPS的SATRACK I彈道測量系統作為應用示范，并大膽地提出了天基靶場設想［3］。

3）頂層設計階段。20世紀80年代，隨著GPS計劃逐步得到驗證，美國國防部先后成立了專門機構——三軍協調委員會和靶場應用聯合計劃辦公室，負責靶場GPS應用規劃論證工作。1984年，制訂了 《有關GPS在試驗和訓練靶場的應用計劃》。1999年，美國空軍航天司令部制訂天基靶場發展規劃。

4）充分驗證階段。20世紀80年代起，美、日、歐等國家和地區相繼開展了大量GPS在中低軌衛星測定軌、空間交會對接等方面的演示驗證試驗，取得了成功。2003年起，美國已完成了3個階段的天基靶場演示驗證試驗，分別驗證了飛行器對衛星導航信號的連續跟蹤能力、高速遙測數據傳輸能力和高超飛行器的鏈路保持能力［4］。

5）大力推行階段。經過大量驗證，美軍決定從2001年起在其東靶場不再發展雷達系統，而以GPS外測取代之。同時，美國空軍航天司令部明確提出了天基靶場的發展規劃，計劃在2010－2015年開始研究并逐步過渡，并于2016－2028年實現天基靶場［4］。

2.2 國內發展概況

我國天基測量系統發展已經歷了三個階段：

1）技術跟蹤階段。20世紀80年代，我國開始了GPS應用跟蹤研究，研制成功了國產GPS接收機，應用方面GPS成功用于測量船定位和定時校頻。

2）論證階段。20世紀八十年代中后期，專題論證了GPS在我國航天測控領域應用的必要性和可行性，并設計論證了北斗衛星導航試驗系統。

3）推廣應用階段。20世紀八十年代末，GPS廣泛應用于運載火箭、航天器等目標和測量船等測控平臺的軌跡測量，提升了測量系統覆蓋率和使用效能［5］。

目前，北斗系統已開始運行，我國天基測量系統正邁入自主發展的新階段，需要統籌規劃發展道路。

2.3 啟示

國內外天基測量系統發展歷程給我國啟示是：

1）發達國家的經驗表明，天基測量具有天然技術優勢，是提升航天測量系統能力和效益，應對我國航天任務高密度發射、快速響應、多星多任務測控管理等復雜任務需求的關鍵技術途徑，是我國航天測量系統未來發展方向和必然趨勢［6］。

2）天基測量是大膽創新的結果。隨著北斗系統的建成運行，我國天基測量系統將進入自主發展的新階段。我國與美國GPS應用條件、系統完善程度、面臨的問題各不相同，如何結合我國國情，發揮北斗系統的特點，走好中國式天基測量系統發展道路，是我們需要仔細研究的，而大膽創新是發展的前提。

3）發達國家經驗和教訓表明，天基測量系統的發展需要統籌規劃，明確發展目標，協調好各方面的關系，建立完備的標準和規范體系，才能實現科學可持續發展。

4）航天任務測量需求復雜多樣，可靠性要求高，天基測量應用必須經過充分的試驗驗證。同時，GNSS很容易受到干擾和攻擊，GNSS增強、監測和評估是天基測量系統應用的重要保障。

3 需求分析

北斗系統在航天任務中應用需求的出發點是發揮其技術優勢，彌補陸、海、空基測量手段的不足。

航天器發射段的主要需求是：

1）發揮北斗系統高覆蓋率優勢，在不大幅拓展地基測站規模的前提下，滿足長弧段測量需求；

2）發揮北斗系統用戶設備輕便優勢，適應應急發射、多任務類型和高頻度發射的挑戰；

3）發揮北斗系統自主測量的優勢，滿足日益增強的火箭自主安控需求。

航天器運行段的主要需求是：

1）發揮北斗系統高覆蓋率優勢，滿足未來航天任務高精度測定軌和載人航天高可靠性要求，減輕國外建站和測量船使用壓力；

2）發揮北斗系統多目標和自主測量優勢，滿足多星多任務管理和自主管理需求，減輕地面測控系統壓力，提升測控系統效能；

3）發揮北斗系統短基線高精度相對測量優勢，滿足空間目標交會對接需求。

航天器再入段的主要需求是：

1）發揮北斗系統高覆蓋率優勢，滿足大范圍再入段測量和落點報告需求；

2）與慣導融合，滿足黑障區測量需求。

同時，北斗系統是海、空基測控平臺的重要測控手段，也可應用于測繪、大氣參數反演、高精度時頻傳遞、機動設備管理等領域。

4 應用設想

4.1 發展目標

充分發揮北斗系統的技術優勢，提高航天測量系統整體能力和使用效益，構建天基為主，地基為補充的，功能完備、優勢互補、安全可靠，通用可重構的陸、海、空、天一體化測量系統。

4.2 總體思路

綜合我國航天任務未來發展需求和GNSS應用現實情況，未來加強北斗系統在航天任務領域應用的總體思路是：

1）統籌規劃，強化頂層設計。

2）集中力量，突破關鍵技術。

3）確保可靠，充分試驗驗證。

4）典型示范，引領系統發展。

4.3 技術體系結構

技術體系結構規定了北斗系統在航天任務中應用所面臨的技術問題，如圖1所示。

圖1 基于北斗系統的航天測量系統技術體系結構

首先面臨的是系統層面上的技術：

1） “三化”技術：即 “通用化、系列化、組合化”是實現北斗系統在航天任務中統籌、規范應用的關鍵。

2）系統增強、監測與評估技術：系統增強、監測與評估技術是保障北斗系統可用性，實現高精度、高可靠天基測量的保障；同時也為未來航天器中大量應用的衛星導航裝備在復雜電磁環境下的鑒定和評估奠定基礎。

其次，北斗系統航天應用還需研究信息獲取、信息傳輸、信息處理和信息應用四個層面上的問題。

在信息獲取層面上，北斗系統航天應用主要面臨高動態目標信號捕獲跟蹤和復雜條件下 （包括目標姿態變化復雜、目標安裝條件受限、復雜電磁環境）信號捕獲跟蹤技術問題。

在信息傳輸層面上，需要制定統一的物理接口和信息傳輸接口，推進和落實 “三化”成果應用；同時，還需要研究特定條件下信息實時無損壓縮傳輸技術，實現大數據量GNSS原始觀測信息的下傳，為事后高精度解算提高原始數據。

在信息處理層面上，實時處理技術是獲取較高精度實時彈/軌道，實現目標自主安控和航天器自主導航控制的基礎；事后處理技術是獲取高精度事后軌道，實現任務綜合評估的基礎。

信息應用層面主要分析梳理如何發揮北斗系統的使用效益，推進我國航天測量系統發展的問題。

5 關鍵技術問題

航天測量具有空間范圍廣、動態范圍寬、精度要求高、測量條件復雜和目標上安裝條件受限等特點。為推進北斗系統航天應用，需著力解決以下幾方面的關鍵技術問題。

5.1 北斗系統航天應用 “三化”技術

我國航天測量領域前期GNSS應用處于自發、零散的狀態，“通用化、系列化、組合化”水平低，不同生產廠家生產的同類設備不能組合、通用，難以實現系統的開放互聯和靈活可重構，設備成本難以降低，給維修改造和效能發揮也帶來了不便，不利于天基測量系統的統籌發展。

“三化”技術的核心是建立北斗系統應用標準體系，包括物理接口、信息接口、系統設計、數據處理、使用管理、設備檢定和性能評估方面的標準和規范，并在航天任務領域大力推行。以此為基礎，一方面形成適應不同要求的北斗系統箭/星裝備型譜，規范北斗系統裝備的研制、管理、應用和評價；另一方面，綜合考慮箭/星載測控（包括外測、遙測、安控、導航和中繼）需求，充分利用軟件無線電和大規模集成電路技術發展的最新成果，統一設計箭/星載測控終端，實現基帶信號處理、數據存儲、信息處理等方面的一體化，減小彈/箭/星載測控終端的體積、重量和功耗，降低系統復雜度，提升箭/星載測控分系統的可靠性和環境適應性。

5.2 系統增強、監測與評估技術

衡量GNSS的性能指標主要包括精度、完好性、連續性和可用性。GNSS增強、監測與評估技術是提升GNSS性能，保障可靠應用的重要保障。系統性能評估還是評價航天器使用效能和任務綜合評估的基礎。

GNSS增強包括局域增強、廣域增強和偽衛星增強技術，局域增強和廣域增強的核心是通過建立各基準站的融合誤差模型實現多基站綜合差分定位，降低差分定位誤差的時空相關性［7］；偽衛星增強則通過設置偽衛星發射器，單獨或與GNSS星座共同組建導航定位星座，以提高測量系統精度、連續性及可用性［8］。

GNSS性能監測與評估技術分為GNSS系統自檢和與其它系統互檢技術兩大類。GNSS系統自檢又包括基于接收機的自主完好性監測、基于地面監測站的完好性監測、星上自主完好性監測、基于星間鏈路的星座自監測技術和不同GNSS系統之間的互檢技術［9］；綜合利用航天測控資源優勢，研究GNSS與慣導、地面測控系統互檢技術，可進一步提高GNSS監測與評估的準確性、實時性和效率。

5.3 復雜條件下高精度測量技術

航天任務中目標測量條件的復雜性表現在三個方面：一是高動態，即速度、加速度和加加速度大；其次是姿態變化復雜；第三是電磁環境復雜。這些特點造成了GNSS測量設備捕獲跟蹤衛星導航信號難度大，實現高精度測量困難。因此，推進北斗系統在航天測量領域應用的前提條件是實現上述復雜條件下目標的高精度測量。

高動態目標高精度測量的主要困難在于跟蹤環路類型和參數的選擇在提高動態性能和提高測量精度兩方面是相互矛盾的。目前可行的解決方法是引入其它信息輔助GNSS測量設備實現高動態目標高精度測量，其中GNSS及慣性導航系統（inertial navigation system，INS）組合測量技術是主要研究方向。

姿態變化 （主要是旋轉目標）的主要問題是破壞了天線與導航衛星之間的通視，造成信號時斷時續。射頻信號合成是工程上實現旋轉目標測量最簡單的技術途徑，且成本較低。缺點是測量精度特別是測速精度低。目前實現旋轉目標高精度測量的可能技術途徑包括：空間分集接收機技術、相位穩定共形微帶天線陣技術和多天線接力測量技術［10］。這些技術大多還處于理論研究和仿真驗證階段，需要進一步開展關鍵技術攻關。

復雜電磁環境對北斗系統測量影響巨大。目前應用層面解決復雜電磁環境下北斗系統測量的技術手段包括：GNSS/INS組合測量、自適應濾波、自適應調零天線、波束控制/波束形成天線等技術，其中GNSS/INS組合測量適應性強，可靠性高，是主要研究方向。

5.4 高精度數據處理

高精度數據處理技術是GNSS應用的關鍵，目前我國航天GNSS高精度數據處理長期依賴于國外的核心技術和軟件，不適應航天任務高動態、大范圍的特點，解算精度和可擴展性受限，也處理不了北斗系統測量數據，需著力加以解決。

結合航天任務特點，高精度GNSS數據處理應重點開展以下幾方面的工作：

1）研究多GNSS系統融合處理技術，提高GNSS測量精度、可靠性、抗干擾性、連續性和時效性。

2）研究GNSS/地面測控設備融合處理技術，建立雷達、光學和GNSS原始觀測數據的融合解算模型和精度評估模型，提升外測連續性和可靠性。

3）研究低軌航天器實時軌道測量技術，提高實時軌道測量精度。

4）研究精密單點定位技術，解決基線過長引起的差分處理精度降低問題。

5）研究基于模型約束的GNSS精密定軌技術，降低測量條件要求，提高GNSS測量精度和連續性。

6）研制適用于航天任務的通用GNSS事后數據處理軟件，擺脫航天GNSS應用核心軟件受制于人的困境。

5.5 設備檢定技術

GNSS在航天任務中承擔著高精度彈/軌測量和外測設備精度鑒定比對標準的工作，為保證測量結果的可信度和精度，新研GNSS測量設備驗收和參試前應該進行檢測檢定，在用設備應定期進行檢測檢定，以保證其滿足試驗任務要求。

目前GNSS測量設備的檢定方法主要采用衛星信號模擬器檢定法和靜態檢定法。衛星信號模擬器檢定法難以模擬真實測量條件，檢定結果可信度難以令人滿意；靜態檢定法無法檢驗GNSS測量設備的高動態測量性能。

為此，需開展動態檢定技術研究，設計形成系列綜合檢測方法，建立專用檢定平臺，制定設備檢定規范。

6 結束語

天基測量是航天測量系統的未來發展方向，北斗系統的應用是我國天基測量系統建設的核心和關鍵。我國天基測量系統建設目前還處于起步階段，需要借鑒發達國家發展經驗，綜合考慮現實情況、未來任務需求和測控系統發展規劃，強化頂層設計，優化體系結構，集中力量突破影響系統發展的關鍵技術問題，走統籌規劃，科學發展的道路，提升測控系統效能，適應未來我國航天任務蓬勃發展的要求。

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