2. 航天恒星科技有限公司, 北京 100086
2. Space Star Technology Co., Ltd., Beijing 100086, China
高轨航天器，如地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)、高偏心轨道(HEO)卫星以及月球深空探测器等，在卫星通信、预警监视、气象探测、未知天体及环境探测等领域有着重要用途。当前，高轨卫星主要依赖地面测控实现轨道确定。随着高轨航天器种类和数量日益增多，高轨对地观测载荷对高精度定轨需求逐步提高，传统地面测控系统资源日趋紧张。全球导航卫星系统(GNSS)具有全天时、全天候、全球覆盖特点，已广泛应用于低轨道航天器，若能在高轨空间使用GNSS导航方式，对缓解地面测控压力、实现自主管理和提高定轨精度有着极大的帮助。
20世纪80年代，在GEO卫星上使用GPS的概念已被提出[1]。2000年，美国公布了GPS可操作需求文件(ORD)，提出了空间服务空域(space service volume，SSV)的概念。2006年，Bauer正式描述了SSV概念，并明确卫星导航除了满足最初的TSV(3000 km以下)区域服务外，在SSV(3000~36 000 km)高轨空间也需要提供导航服务，并给出GPS高轨接收功率分析、覆盖性分析及可用性评估[2]。后续许多学者对SSV开展了大量研究工作，美国、欧洲和中国等先后研制出用于高轨空间卫星导航接收机，并开展了在轨验证试验。在全球导航卫星系统国际委员会(ICG)、美国的导航协会(ION)组织的卫星导航会议上，多次提出和倡导美国、俄罗斯、中国、日本及印度的卫星导航系统在SSV构架下相互兼容，并提出一系列的协议和文件来支持卫星导航在高轨空间服务应用，奠定了GNSS高轨应用的政策基础[3-7]。
本文首先从GNSS应用于高轨航天器上的技术特点出发，总结了高轨GNSS技术发展历程和应用，分析了国内外相关研究进展及技术验证情况，归纳出在自主导航、精密定轨、相对导航等技术方面的高轨GNSS研究情况，并给出了其后续发展启示与建议。
1 高轨GNSS技术特点根据GNSS导航系统设计初衷，导航卫星天线主瓣波束主要覆盖3000 km以下区域。相对于地面和低轨空间来说，高轨GNSS应用场景与技术特点有着很大的不同。以GEO轨道为例，分析得出高轨GNSS技术特点如下：
(1) 导航卫星几何分布差，需接收导航卫星旁瓣信号。由于GNSS接收机处在高于导航卫星星座的轨道上，只能收到来自地球另一侧的导航卫星所发射的导航信号，导航星几何分布差。而且，导航星发射天线主瓣波束范围约为23.5°(针对GPS L1信号)，如图 1所示，大部分信号被地球完全遮挡，仅仅依赖主瓣信号，无法完成导航定位任务。因此，通过接收处理导航卫星旁瓣信号，来增加可用导航卫星数量和改善几何分布。根据图 2中GPS导航信号接收功率表明，旁瓣信号功率会比主瓣信号功率低近15 dB以上[8]。
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| 图 1 GNSS星座和高轨航天器空间可见性 Fig. 1 GNSS visibility at high earth orbit |
(2) 接收的GNSS信号功率微弱。与低轨道和地面用户相比，高轨GNSS与导航卫星间的距离更加遥远，是普通地面环境的2~4倍，自由空间路径损耗10 dB左右。这使得接收机接收到的旁瓣信号功率更加微弱，普通接收机难以实现捕获跟踪。即便使用高灵敏度接收处理技术，但观测噪声过大，影响定位解算精度。
(3) GNSS信号两次穿越大气层。在接收机接收地球另一侧的导航信号，其中靠近地球边缘的导航信号两次穿越地球电离层和对流层到达接收机。电离层带来的相位延迟会带来几十米甚至百米以上的距离误差，对导航定位精度产生影响[9]。但这种高轨GNSS“掩星”信号探测，为在高轨空间的电离层和对流层探测提供了有利条件。
(4) GNSS接收机空间环境适应性。地面或低轨卫星的导航接收天线指向天顶方向，高轨GNSS接收天线通常指向地球方向，波束宽度通常小于低轨卫星波束，但天线波束内增益要求高。高轨航天器受火箭推进资源限制，在体积、重量方面可分配给在GNSS接收机的资源有限，且还要求接收机具备高灵敏度接收和高轨空间辐照环境适应能力。
另外，对于HEO或者地球同步转移轨道(GTO)轨道航天器来说，GNSS接收机在高轨和低轨之间往返飞行，多次穿过导航卫星轨道面。此时接收机既要在高轨上接收来自地球对面的卫星导航信号，还能在低轨道上接收天顶方向导航信号，在高低轨道转移飞行过程中还要兼顾对天和对地两个方向的信号接收，此时接收信号功率大范围变化和强弱信号混叠现象的出现，对GNSS接收机系统设计带来复杂性。
2 高轨GNSS自主导航技术发展随着航天技术的发展和高轨卫星的数目不断增加，无论是从降低运维费用还是从提高性能角度出发，都要求卫星具有一定的自主运行能力。尤其是高轨位置保持和机动过程中，需要卫星具有自主导航和自主管理能力[10]。因此，GNSS为高轨航天器提供实时、自主、高精度的导航服务十分必要。
2.1 高轨GNSS可用性分析目前，对高轨GNSS导航可用性研究主要方法有两种：数学仿真分析和地面物理仿真验证。在可用性分析与建模过程中，考虑的参数包括：导航星座参数、飞行轨道姿态、信号发射功率，发射天线和接收天线方向图，传播损耗以及接收功率门限[10-11]。分析中考虑两个约束条件：首先要保证GNSS卫星和接收机之间的几何视线方向上不能被其他物体遮挡；其次还要满足接收信号强度高于捕获跟踪门限。可用性分析对象包括：可见星数、多普勒、几何分布因子、接收信号功率分布等统计特性。现有分析结果表明：在使用导航星旁瓣情况下，GNSS用于GEO和HEO导航是可行的，导航星数满足导航解算要求，位置精度在几十米甚至更高[10-11]。近年来，导航卫星逐步向多系统兼容发展，现已涵盖了美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo、中国BDS、日本QZSS、印度NAVIC等导航系统，仅考虑导航星主瓣信号且接收机载噪比门限为20 dB-Hz时，多系统兼容高轨GNSS可用星数4颗及以上的概率也能保持在90%以上[4, 6]。
为进一步评估高轨GNSS性能和轨道适应能力，通常会在地面开展物理链路模拟验证，即利用GNSS信号模拟器模拟卫星飞行轨迹和姿态，并根据传输信道实时生成导航信号，模拟接收机在轨环境，以此来评估接收机任务完成能力，例如在MMS卫星、GEOS-R卫星、SmallGEO任务等在研制中都进行此类地面物理测试[12-17]。
值得注意的是，导航星旁瓣信号有效全向辐射功率(EIRP)影响高轨GNSS整个系统性能关键因素，导航星天线受加工、安装条件影响，方向增益存在一定差异。因此，NASA设置了专门的工组GPS ACE负责整理真实GPS旁瓣导航信号发射功率。该小组通过GEO卫星采集GPS系统导航信号，在地面通过后处理的方式评估并发布GPS系统的导航星天线方向图和接收功率情况，图 3为其发布的Block ⅡR导航星天线方向图[18-19]，由图可知导航星旁瓣增益在不同方向存在较大差异。
2.2 高轨GNSS自主导航技术验证
自20世纪末以来，对高轨GNSS自主导航技术的在轨验证一直进行中，根据文献[20—33]中国内外技术验证内容，汇总了高轨GNSS在轨试验情况如表 1，整个历程大体分为两个阶段：
| 任务名称 | 国别 | 时间 | GNSS接收机 | 高轨GNSS验证情况 |
| TEAMSAT/YES | 欧洲 | 1997-10 | Trimble TANS-Ⅱ | GTO轨道，在远至26 000 km高度上成功跟踪GPS信号 |
| Falcon Gold | 美国 | 1997-11 | NAVSYS TID-GIT | GTO轨道，在轨收集GPS数据后地面处理，验证了高度1500~33 000 km GPS信号接收 |
| Equator-S | 美国 | 1997-12 | Motorola Viceroy | GTO轨道，34 000 km高度以上成功跟踪GPS旁瓣信号 |
| AO-40 | 美国 | 2000-11 | Trimble TANS Vectors |
HEO轨道，获取了大量GPS在轨观测数据，最远可达58 000 km轨道，并尝试在轨导航解算 |
| GIOVE-A | 欧洲 | 2005-12 | SGR-GEO | 轨道约23 000 km，收到多颗GPS信号并完成导航解算 |
| SBIRS GEO 1 | 美国 | 2011-03 | 双频GPS接收机 | GEO轨道，完成星上实时导航及定轨，并利用GPS L1和L2双频数据对电离层延迟进行分析 |
| MMS | 美国 | 2015-03 | GSFC Navigator | HEO轨道，在17 km左右仍能接收GPS和定轨解算 |
| CE-5T1 | 中国 | 2014-10 | GNSS兼容机 | 月-地转移轨道(约50 000~5000 km)，实现GPS和GLONASS兼容接收和导航定轨解算 |
| TJS-2 | 中国 | 2017-01 | GNSS兼容机 | GEO轨道，实现GPS、GLONASS和BDS兼容接收和定轨解算 |
| GOES-R | 美国 | 2016-11 | General Dynamics Viceroy-4 | GEO轨道，平均跟踪导航星数11颗，DOP值5~15之间，位置精度优于30 m |
| SmallGEO | 欧洲 | 2017-01 | Astrium Mosaic | GEO轨道，Small GEO平台首发星Hispasat 36W-1，验证了GEO轨道GPS信号接收和导航定轨 |
第1个阶段，对成熟的商业或者低轨导航接收机进行适应性改造，提高其信号接收灵敏度和高轨环境适应能力，如TEAMSAT/YES、Equator-S、AO-40、GIOVE-A等任务中GPS接收机。尽管这些任务验证了高轨GNSS技术可行性，但距离产品应用仍存在一定差距。
第2个阶段，各国均针对高轨航天器技术特点，先后开展了高灵敏度信号处理和导航解算技术研究，并研制针对高轨航天器的GNSS接收机，并已取得了在轨实际应用。目前国外已取得验证的高轨导航接收机仅支持GPS导航系统，而我国则兼容GPS、GLONASS以及北斗方式[32]。
美国磁层多尺度任务卫星(MMS)在新一阶段任务轨道中，GSFC Navigator GPS接收机在17万km轨道上仍可收到GPS信号，进一步证明了GPS覆盖范围可以更高，位置精度小于60 m，速度精度小于0.25 cm/s[34]。在静止轨道环境观测卫星GOES-R任务中，如图 4所示卫星上配置的可伸出GPS接收天线，以保证GPS接收机视场内无遮挡。根据文献[33]提供的GOES-R GPS接收机在轨测试结果，平均可跟踪导航星数量11颗，平均几何分布值为7.9，在径向、法向和切向定轨均方根误差精度分别为7.25 m、4.39 m和2.47 m。在2014年，我国CE-5T1飞行试验器搭载了GNSS接收机并完成在轨试验，实现了12万km轨道上GPS信号接收，完成50 000 km至5000 km月地和地月转移轨道自主导航，导航精度优于100 m[29-30]。在2017年我国GEO轨道通信技术试验二号星(TJS-2)任务中，完成了我国北斗导航信号兼容接收，在轨实现了27 m、0.03 m/s的位置和速度精度[31-32]。
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| 图 4 GOES-R星上GPS接收天线 Fig. 4 GPS antenna on GOES-R satellite |
2.3 高轨高灵敏度GNSS接收机技术
早期高轨高灵敏GNSS导航接收机，通常改造商用导航接收机或模块，来适应旁瓣微弱导航信号的接收处理，如SGR-GEO任务中GPS接收机是在商业GPS相关器芯片GP2021和GP4020基础上进行开发[26-27]。AO-40卫星采用的是商用Trimble的GPS接收机[24-25]。美国NASA的戈达德航天中心(GSFC)最开始研制的高轨GPS接收机PiVoT也是使用商业GP2021芯片，后来逐步自主研发了Navigator GPS接收机[16, 36]。法国CNES早期也开发了Topstar 3000 GPS接收机最初用于STENTOR卫星，后来进一步升级为Topstar 3000 G2[37]。近年来，各航天大国相继开发出适用于高轨卫星的GNSS导航接收机产品，从单GPS系统逐步向多导航系统兼容发展，如Viceroy、Mosaic、LION Navigator等，部分接收机位置精度指标甚至达到15 m以内[38-41]，图 5所示为一些GNSS接收机的实物图。随着卫星导航技术发展和芯片处理能力的提高，目前研究的星载GNSS接收机通过简单配置，可适用于LEO、GTO、GEO等不同场景，具有较强的轨道适应能力[39-41]。
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| 图 5 星载高轨GNSS导航接收机 Fig. 5 GNSS receiver for high earth orbit satellite |
在高灵敏度信号捕获技术方面，通常采用长时间的相干和非相干累积来提高信号处理增益。文献[16]给出了GSFC Navigator GPS接收机的基于FFT循环相关的弱信号捕获方法，算法实现流程如图 6所示。仿真分析结果表明，该捕获算法可完成载波比25 dB-Hz微弱导航信号的快速捕获，实际在轨应用也达到了预期效果。为提高捕获处理效率和降低处理器资源，提出了一种基于梳状滤波器(comb filters)架构的高灵敏度信号捕获方法，在伪码搜索前通过comb滤波器完成相干积分[42]，在CE-5T1和TJS-2任务中的高轨GNSS接收机使用此方法[30]。近年来，有学者根据导航信号自相关峰值在时域上的稀疏特性，提出了利用稀疏傅里叶(SFT)实现GPS信号捕获方法，可有效提高捕获性能和运算效率[43]。
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| 图 6 基于FFT的强弱信号快速捕获模块 Fig. 6 FFT-based correlation and strong or weak signal component of the quick acquisition |
在高灵敏度信号跟踪技术方面，现有的主要技术手段主要借助于传统锁相环(PLL)和锁频环(FLL)跟踪弱信号跟踪能力。文献[44]介绍了使用卡尔曼滤波器(KF)高灵敏环路处理，建立载波多普勒相位、频移和频率变化率的状态和测量方程模型，来实现微弱信号载波跟踪。不同于传统标量处理方式，采用矢量跟踪环路技术，用于联合跟踪多个频率上所有卫星的载波相位，可进一步提高跟踪灵敏度[45]。近年来，文献[46]在利用动力学模型和GNSS观测量实现高轨定轨滤波基础上，使用轨道滤波结果辅助跟踪环路，来提升灵敏度，仿真结果表明，跟踪灵敏度可以达到11 dB-Hz。后续可针对轨道动力学信息的矢量跟踪环路开展研究工作，进一步提高跟踪灵敏度。
在导航定位定轨技术方面，高轨GNSS接收机除了采用传统最小二乘法的几何定位外，还使用GNSS观测量与轨道动力学融合滤波的定轨解算方法，进一步提高位置和速度测量精度。在高轨GNSS定轨方法中，通常采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)方法，完成轨道动力学模型的线性化处理，实时获得卫星运动状态的最优估计。其中，将接收机位置、速度、钟差、钟速以及其他模型参数作为待估计状态量，将导航星伪距信息作为观测量，使用几何定位结果完成滤波器初始化，定轨滤波算法实现如图 7所示[47]。
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| 图 7 高轨航天器GNSS定轨算法流程 Fig. 7 GNSS-based orbit determination method for high earth orbit spacecraft |
3 高轨GNSS事后精密定轨技术
利用星载GNSS确定卫星精密轨道已在我国低轨卫星上成功应用，可达到厘米级甚至亚厘米级定轨精度[48-49]。在高轨GNSS精密定轨技术研究中，利用通信技术试验二号星(TJS-2)高轨导航接收机的GPS观测数据，武汉大学研究人员进行了精密定轨数据处理和精度评估。观测量使用策略采用伪距与载波加权处理的方式，定轨结果见表 2，3天弧长定轨重叠弧段精度可达到米级以内[31]。
| 时长 | 权重比 | A/m | C/m | R/m | 3D/m |
| 30 h | 3:0.02 | 1.91 | 0.78 | 0.95 | 2.27 |
| 3:0.3 | 1.15 | 0.77 | 0.69 | 1.55 | |
| 3:3 | 1.25 | 1.10 | 2.18 | 2.75 | |
| 3D | 3:0.02 | 1.47 | 0.36 | 0.52 | 1.60 |
| 3:0.3 | 0.70 | 0.28 | 0.27 | 0.80 | |
| 3:3 | 0.50 | 0.33 | 0.24 | 0.64 |
影响高轨GNSS精密定轨精度的误差源主要有两类：首先，导航星几何分布不好，信号功率弱带来的观测量误差大，影响了事后精密定轨精度[33, 50]；其次，对于高轨卫星来说，不受大气阻力摄动影响，地球非球形引力摄动也不敏感，对量级较高的地球非球形摄动和日月摄动都有相对成熟且精度较高的模型进行模制改正，太阳光压摄动成为继地球引力、日月引力之后量级最大摄动。以导航卫星为例，太阳光压摄动量影响在非保守摄动力影响中占比最大，达90%以上[51-52]。因此，后续可研究如何减少太阳光压摄动模型误差影响、提高GNSS观测量质量以及探索如何使用载波数据来改善定轨精度。一些研究人员尝试使用静电悬浮加速度计实现光压微弱力测量，以改善光压长周期项对定轨精度影响。
4 高轨GNSS相对导航技术高轨航天器编队飞行和协同工作，彼此之间的高精度相对时空信息统一与协同非常重要。相对时空信息通常指的是相对位置、相对速度、相对姿态和相对时间。采用GNSS差分处理方法，通过共视导航星测量信息构建差分组合，消除或降低导航测量值中的公共误差部分来提高精度。此法已广泛的应用低轨卫星编队中，甚至使用GNSS来引导两飞行器交会对接[53]。在高轨航天器实现GNSS相对导航技术，需要关注如下几个问题：
(1) 无论是载波相位差分还是伪距差分，前提条件是存在共视星，通常高轨编队卫星星间基线长度大于低轨星间基线，甚至达到数千公里量级，在共视星数量、共视时间、观测量相关性等方面需开展针对性研究。
(2) 由于高轨接收导航信号功率微弱，载波跟踪稳定性差，载波周跳频繁，需针对传统载波模糊度固定方法的可用性和收敛时间开展研究工作。在载波差分方法不可用时，可采用伪距差分结合轨道动力学信息辅助滤波的方法实现高精度相对导航[54-56]。
(3) 低轨编队卫星星间时差测量通常接收机收到共视星后，将某颗共视星观测数据求取单差(单差法)，以获得准确的星间时差信息。另外，文献[54]进行相对基线求解时，也将星间时差、时差变化量作为状态信息量，结合动力学模型完成定轨滤波更新。
5 高轨GNSS技术展望GNSS高轨航天器中自主导航、精密定轨和相对导航等方面已取得了一定的技术研究成果。随着北斗全球化进程逐步完善，开展高轨北斗在高轨中应用研究非常重要。北斗在B1C和B2a两种新信号体制上采用了“数据支路+导频支路”体制，有助于提高接收灵敏度和跟踪精度，多体制LDPC编码也提高了弱信号解调性能[57]，更易于实现高轨高灵敏度处理。并且，北斗系统采用MEO、GEO和IGSO混合星座方式，当接收机处于中国区域上空的GEO/IGSO轨道时，既可接收来自地球对面导航卫星发射天线旁瓣信号，又可使用北斗GEO/IGSO同轨道面导航信号。而且，这两类信号在接收视线上差异较大，利用水平面方向的同轨导航信号参与定位，除了明显改善星座几何分布外，可直接避免了来自地球方向的干扰和影响。
近年来，月球探测又重新成为研究热点，一些学者对月球空间GNSS技术可行性开展研究工作[58-60]，并把月球任务作为SSV的一个典型的应用场景[6]，地月空间导航将成为现有导航服务范围的有效延伸。在此应用中，由于极差的导航星几何分布，将促进了GNSS与天文导航、惯性、月球空间动力学模型等多信息手段融合。而且极其微弱的信号接收功率，要求处理信号载噪比甚至达到10 dB-Hz，使得在高灵敏度处理、快速信号捕获和电文解调方面有着极大的难度。近年来发展的低轨卫星导航增强系统，可为地面导航终端提供信号增强，以及时间和星历等信息增强，辅助提高接收灵敏度和缩短首次定位时间[61]。若在后续低轨卫星或地面站导航增强任务中，甚至在后续规划空间站、月球站及月球深空中继卫星任务，或者利用北斗星间链路，为月球GNSS任务提供增强服务，可有助于提高月球空间GNSS性能。
高轨GNSS会直接收到穿越地球边缘的“掩星”信号，这类信号均来自导航星主瓣信号，为电离层和大气层数据反演提供了可行性。与低轨GNSS“掩星”探测不同，高轨探测的切点高度可达数千公里，每次持续时间几十分钟，南北极附近位置处数据居多[62]。另外，高轨卫星尤其是两万公里轨道卫星，接收机至“掩星”探测切点与导航卫星至切点的几何路径近似对称，更易于减少“掩星”数据反演中模型误差。但是，若在高轨卫星上实现高精度“掩星”探测，还需要进一步提高接收天线增益、接收灵敏度和多频观测数据精度。
6 结束语随着航天技术不断发展，人类空间探测范围逐步增大，抢占高轨空间战略资源制高点已经引起各国的格外关注。高轨GNSS将传统导航卫星服务区域由3000 km以下的低轨空间，扩展到数万公里以上的高轨空间，极大地拓展了卫星导航服务的应用范围，这也是国内外对高轨GNSS技术开展研究主要原因。尽管高轨GNSS技术并已经取得了一些的技术研究成果和应用，并在一些高轨航天器任务中发挥了重要作用，但仍有一些新技术、新需求和新应用需要进一步深入开展研究工作。另外，随着我国北斗全球导航系统建设逐步完善，积极开展北斗导航系统在高轨中应用的技术研究工作，对于提高我国高轨航天器服务能力具有非常重要的意义。
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