同步軌道共位衛(wèi)星位置確定技術(shù)

摘要 同步軌道衛(wèi)星共位是指在一個(gè)地球同步軌道±0．1°的窗口上放置兩顆或兩顆以上的衛(wèi)星。文中介紹了同步軌道衛(wèi)星多星共位的必要性和連接端站干涉測(cè)量的原理。對(duì)同步軌道共位衛(wèi)星位置測(cè)量精度進(jìn)行分析，得出結(jié)論，連接端站干涉測(cè)量技術(shù)能夠滿足同步軌道共位衛(wèi)星位置測(cè)量的要求。
關(guān)鍵詞 地球同步軌道衛(wèi)星；多星共位；連接端站干涉；同波束干涉

地球同步軌道衛(wèi)星具有相對(duì)地球?yàn)?ldquo;靜止”的特點(diǎn)，可以有效地利用其為通訊、數(shù)據(jù)傳輸、電視廣播、氣象、海洋探測(cè)、導(dǎo)航和軍事等行業(yè)和科學(xué)研究服務(wù)，并已發(fā)揮顯著的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。截至2005年，地球同步軌道附近約60 km寬的區(qū)域內(nèi)共有衛(wèi)星1 120個(gè)。隨著各國(guó)對(duì)同步軌道衛(wèi)星需求的增加，同步軌道位置日趨緊張，提高地球同步軌道弧段利用率越來(lái)越受重視。
同步軌道多星共位可以解決同步軌道衛(wèi)星需求的增長(zhǎng)，可以提高地球同步軌道弧段利用率。所謂“多星共位”，就是在東西、南北方向均為±0．1°窗口放置兩顆或兩顆以上同步衛(wèi)星。20世紀(jì)80年代末到90年代初，ESA的Olympus通信衛(wèi)星和德國(guó)一顆、法國(guó)兩顆衛(wèi)星共位運(yùn)行。1992年德國(guó)科學(xué)家提出了在同一軌道窗口內(nèi)放置7顆同步衛(wèi)星的方案設(shè)想。為避免衛(wèi)星飄出共位窗口，需要對(duì)窗口內(nèi)的衛(wèi)星確定絕對(duì)位
置；為提高同一個(gè)窗口的衛(wèi)星數(shù)量，避免衛(wèi)星間發(fā)生碰撞，需要精密測(cè)量衛(wèi)星間的相對(duì)位置。

1 共位衛(wèi)星位置確定原理
目前，國(guó)內(nèi)同步軌道衛(wèi)星絕對(duì)位置高精度確定主要采用相距幾千公里的多個(gè)測(cè)量站，通過(guò)雙邊距離轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)量目標(biāo)到各測(cè)量站的距離進(jìn)行定位。星群、星座等衛(wèi)星間的相對(duì)位置主要采用星問(wèn)微波、激光測(cè)量方式。雙邊距離轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)量同步衛(wèi)星的絕對(duì)位置，各測(cè)量站距離太遠(yuǎn)，不利于滿足共視條件和安排觀測(cè)任務(wù)。星間微波、激光測(cè)量方式需要星上裝載測(cè)量設(shè)備，已經(jīng)在軌的衛(wèi)星不能實(shí)現(xiàn)。下面介紹一差分連接端站干涉技術(shù)(CEI)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)同步軌道共位衛(wèi)星絕對(duì)位置和相對(duì)位置測(cè)量。
CEI屬于角度測(cè)量系統(tǒng)，可用于航天器的導(dǎo)航測(cè)量。兩個(gè)地面站被動(dòng)接收同一個(gè)無(wú)線電信號(hào)源，參照共同的參考頻率得兩站所收信號(hào)的相位差，由此導(dǎo)出信號(hào)源到兩站的距離差(DOR)，結(jié)合兩站的高精度基線長(zhǎng)度，從而獲得導(dǎo)航所需的信號(hào)源至基線的方向角θ，利用兩條非平行的基線可以測(cè)得飛行器的兩個(gè)方向角的測(cè)量值，如圖1所示。對(duì)于共位衛(wèi)星的測(cè)量可以增加一個(gè)測(cè)距信息，如采用一主兩副的CEI系統(tǒng)，主站發(fā)出上行信號(hào)，通過(guò)共位衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，主站和兩個(gè)副站同時(shí)接收轉(zhuǎn)發(fā)下來(lái)的信號(hào)。一方面主站通過(guò)收發(fā)信號(hào)的時(shí)延，得到主站到共位衛(wèi)星的距離R；另一方面，通過(guò)比較主副站接收信號(hào)的相位延遲，得到共位衛(wèi)星到主副站的距離差r，從而形成Rr1r2測(cè)量體制。該測(cè)量體制要求站間基線不能過(guò)長(zhǎng)，站間要求有同一時(shí)鐘參考頻率，或要求較高的時(shí)鐘同步精度。