高轨太空：GPS的下一个高边疆——高轨道导航应用带动全球GNSS合作

高轨太空：GPS的下一个高边疆
——高轨道导航应用带动全球GNSS合作

编者按

利用GPS进行太空导航日益受关注，美国已开始对此项技术进行研究，高轨道导航服务将成为GPS下一个高边疆。本刊翻译了《Inside GNSS》期刊2014年11-12月合刊中的《Space——the Next GPS frontier 》一文，仅供参考。

目前出现了一种新型GPS接收机，这类接收机利用GPS信号，在中地球轨道GPS星座以外数万千米的GEO轨道上导航。新的航天维修操作任务，如机器人对受损或故障通信卫星的维修和恢复，在这种接收机的帮助下成为可能。

NASA倡导开发的这种新接收机已经获得了相当的成功，促使美国空军也开始支持这一新应用。空军已采用相应的标准规范，以保证越来越多的高轨道应用以及探月任务的稳定运作。

美国空军不是唯一给予支持的组织。联合国全球卫星导航系统国际委员会（ICG）已考虑由其他卫星导航提供商支持实施这项服务的相关事宜，这将极大地改进更高轨道的导航服务。

现状

利用GPS进行太空导航并不是一个新概念。NASA戈达德太空飞行中心的导航工程师Luke Winternitz说，对于近地轨道航天器来说，GPS接收机在过去的十年里已经是“标准配置”了。

这种星载接收机通过减少对卫星的昂贵的地面跟踪需求，来降低运营成本。

Winternitz说：“这就像地面上拥有接收机一样，通过后处理，利用GPS能获得极高的精度。”

由于GNSS接收机非常有用，所以全球的宇航机构都正在把它应用到自己的航天器中。NASA空间通信与导航项目部负责政策和战略通信的副主任Jim Miller说，据NASA统计，共有近80个已发射或计划发射的航天任务装备了GPS接收机，而且几乎都是2000年以后的项目。

Miller说：“几乎每个航天任务都要装备某种GNSS接收机，如GPS或多模导航接收机。”

这里所说的最新高边疆，是在极高轨道运行的航天器上应用GPS的能力。一种结合GPS信号和轨道动力学的新型接收机，能够在距地球36000km的地球同步轨道上确定卫星的位置，精度约100m，而GPS卫星位于20000km的中轨道。

☆ MMS卫星图

Winternitz领导的团队为NASA开发了一种名叫领航者（Navigator）的接收机，该接收机是一种超高灵敏的星载接收机，能对快速获取信号进行优化。领航者接收机是NASA用于测量降雨、降雪的全球降水测量卫星的主要导航敏感器，也是NASA戈达德太空飞行中心的磁层多尺度探测卫星（MMS）的导航支撑技术。MMS于2015 年3月发射，由4个完全相同的航天器实现编队飞行，均利用领航者接收机来保持编队飞行时的精确相对位置，从而在非常高的地球轨道上测量地球保护性磁层的三维结构和动力学特性。

领航者处理载噪比灵敏度的算法比传统天基GPS接收机的灵敏度低得多，因此可以从距离GPS星座很远的地方接收信号。据NASA论文《探月任务的GPS接收机》中介绍，领航者能够在载噪比灵敏度低至22～25dBHz时捕获到微弱的GPS信号。

仿真试验表明，接收机在探月任务的不同阶段都可以发挥作用。在返回阶段，领航者能捕获距地球200000km处的GPS信号主瓣信号和距地球100000km处的旁瓣信号。这足以帮助探月航天器在159000km高度进行第一次轨道修正。

如何实现

高轨接收机设计者完成这样的壮举，所依据的事实是：GPS信号并非全部到达地球表面，每个信号都有某些辐射能量还能延伸到地球边缘之外。

想象一下，你抬头望向路灯，然后举起一只篮球置于眼前，欲将灯光遮住。这样做虽然管用，但并不能挡住所有光线，沿着篮球边缘仍可看到一些光芒，这种情形就像GPS信号沿地球边缘外溢一样。携带GPS接收机的卫星在飞越这些外溢信号时，就可以采集并捕获有用信息。

这也意味着，位于地球一侧的航天器能捕获到从地球背面另一侧GPS卫星沿地球边缘外溢的信号。这项技术有其局限性，因为地球挡住了信号的大部分，但是GPS星座中有几十颗卫星发出信号，因此该航天器总能捕获到另一些GPS信号的旁瓣信号。如果对其他GNSS星座传输的信号加以利用，将大大增加潜在可用信号数。

利用这一特性，就可以为极高轨道上的卫星进行导航。实际上，GEO轨道上的通信卫星就能够利用这项技术。

Miller说：“许多商用卫星供应商开始在其通信卫星上配备GPS接收机。这些卫星在哪儿？它们不在低地球轨道，而在GEO轨道上。因此，除了GEO通信卫星，这项技术在商业太空领域还包括未来卫星维修操作中得到应用，事实上还能够利用机器人修复GEO卫星。所以，确切知道卫星的位置变得越来越重要，我们利用GPS信号进行位置保持及其他应用。”

美空军的支持

只有在GPS卫星信号的波束宽度足够宽并能使部分能量沿地球边缘外溢时，这项技术才有效。这一点现在得到了保证。美国空军承诺维持这些信号，现在GPS信号能够到达的太空区域将如同以往一样继续得以保留。相比空军之前的态度，这绝对是个转折。

Miller说：“他们过去曾希望GPS能对多数用户更高效，他们想，‘嗯，我们要使这束信号更集中，这样就能有更多的信号聚焦到地球上，因为外溢的能量被浪费了，没人用。’而我们说，‘等等！我们还要好好利用这些外溢信号呢。’”

Miller还说：“我们能证明这是很有用的。我们只是需要一定程度的保证他们在设计未来卫星时，应是后向兼容的，而且不会影响信号的波束宽度或功率水平。一旦他们看到了好处，想都不用想就会支持我们。”

针对伪距精度、接收功率、信号可用性，美国空军采用了一套服务规范，GPS III空间服务区域（SSV）的要求/性能参数见表1-2。

表1 SSV GPS III民用信号接收功率最小需求

表2 SSV GPS III可用性参数★

注：★ 标称优化GPS III星座，且无GPS卫星故障；特定高度范围内95%信号可用性。

★★ 连续中断少于108min。

★★★ 连续中断少于84min。

美国空军太空与导弹系统中心（SMC）发言人确认：“这些太空应用十分成功（和有用），因此空军认识到SSV的需求是地面服务区域（TSV）需求的必要扩展。”

GPS标准定位服务性能标准（SPS PS，参见http://www.gps.gov/technical） 定 义，SSV为距 地 面3000～36000km的近地区域（即GEO卫星范围）。

联邦无线电导航计划（FRP）（见www.gps.gov）旨在应对不断增加的SSV和TSV用户的需求。

天基应用的支持者致力于改进导航解决方案，扩展信号可用性。最近他们说服洛克希德·马丁公司和美国空军公布GPS Block II和IIRM卫星天线方向图的相关信息（相关数据参见http://www.lockheedmartin.com/us/ products/gps/gps-publications.html）。

帮助NASA研发在高轨道使用GPS的顾问Frank Bauer解释说，天线方向图能帮助工程师更好地理解这些可用的GPS信号，从而设计出能最大限度利用GPS信号资源的卫星，并获得最佳性能。

Bauer告诉《Inside GNSS》：“要记住，我们依赖那些溢出地球的微弱残留信号。科学家和工程师们试图从GPS系统中获取尽量多的信号。如果我们能更好地理解这个系统，我们就能得到更多，也就是做到性能最优。”

例如，天线方向图量化天线特性，包括主瓣和旁瓣增益等。工程师能够利用那些旁瓣（从主信号溢出的仍然有用的能量）来提高可用性。

Winternitz同意这样的观点，“你可以研究GPS信号的可用性，并估计其性能。因此，知道天线的方向图很重要。方向图还能告诉我们信号是否变形，从而知道它是否需要矫正。”

Bauer说，更好的导航性能意味着更好的结果。对于GOES-R气象卫星来说，这意味着更准确的天气信息。GOES-R是第一颗使用高于导航星座的业务卫星。

到目前为止，洛克希德·马丁公司是唯一一家公布GPS天线方向图的公司。

该公司在一份声明中说：“GPS拥有超过10亿用户，对GPS L频段民用信号数据的需求持续增长，包括利用GPS验证航天器导航操作的产业界用户。作为GPS IIR和IIR-M卫星（它们的数量在现有GPS星座中超过60%）的开发者，洛克希德·马丁公司具有独特的地位，并且17年以来在为美国空军维护这些在轨系统方面扮演重要角色。这些卫星的L频段广播天线方向图数据已经准备好，洛克希德·马丁公司就公开发布事宜和空军协调，希望业界能充分利用这些极有价值的数据。”

波音公司尚未回应发布GPS IIF卫星天线方向图数据的问题。

GNSS全球合作

Miller说，下一步要做的就是，通过整合来自其他卫星导航星座的信号，改进高于GPS星座的导航精度。

Miller说：“在GEO轨道高度，同一时间只有一颗或两颗GPS卫星可被利用。然而，如果有一个用于高轨的多模导航接收机，并且其他GNSS导航服务提供商也支持SSV，那么总有至少4颗GNSS卫星信号可见；如果地球上空36000km处能得到非常精确的定位，对任务规划者来说，这很厉害了。”

Miller说，只利用GPS系统，虽然也可以确定GEO卫星的位置，但其绝对位置精度大约是100 m。如果加上伽利略系统，有时有2～3颗卫星可见。如果加上GLONASS，则总有4颗卫星可见。如果加上北斗系统则能增加得更多。一个4星座的GNSS组合能提供最高的精度和完好性。

为了能促成GNSS多星座使用，不同GNSS服务提供商需要采取相同的SSV定义和规范才能更好地使用GNSS信号。

在2014年11月12日ICG布拉格会议的演示中，Miller呼吁各国代表团都参与完成SSV定义、制定规范、公布其星座天线数据。

《Inside GNSS》得知，ICG已将其纳入B工作组任务，将发布该技术的信息。

这一话题吸引了极大的关注。欧洲、俄罗斯和中国在布拉格都做了关于高轨应用的报告。欧洲做了有关GNSS方案对高轨导航的益处的研究，他们“完全认同可互操作的GNSS SSV的重要性”。他们预计在春季完成其SSV的表征。

中国也在做相关工作，并建议将PDOP（位置精度因子，反映卫星几何定位精度的乘法效应）纳入讨论。俄罗斯代表团提出了有趣的建议：在GNSS卫星背面安装天线，向太空广播信号。

● 高珍_编译

● 晓春_校