專利名稱：轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，涉及深空跟蹤技術(shù)領(lǐng)域， 適用于衛(wèi)星的測軌技術(shù)和深空飛行器的測軌。
背景技術(shù)：
2003年12月30日，李志剛等申請了《轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星測軌定軌方法》， 2006年7月5日已獲批準(zhǔn)(專利申請?zhí)?00310102197.1)。這是一種利 用轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行衛(wèi)星測軌定軌的方法，適用于裝有轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星或航天器 的測軌定軌。其特點(diǎn)是，各站通過接收發(fā)射信號，測定信號從發(fā)射站到 衛(wèi)星或其它測站的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星或航天器的精密測軌。該方法需 要在地面建立三個(gè)以上的測軌站，每個(gè)測軌站配置原子鐘，并使各站時(shí) 鐘精確同步；每個(gè)測軌站發(fā)射有高精度測距碼的微波載波信號，信號經(jīng) 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后，由測軌站接收解調(diào)，測量由發(fā)射站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至接 收站的時(shí)延，扣除傳輸過程中的各種時(shí)延，如儀器時(shí)延、電離層時(shí)延和 大氣時(shí)延，得到路經(jīng)時(shí)延，將路經(jīng)時(shí)延乘以電磁波傳播速度，得到電磁 波傳播路徑的距離或得到發(fā)射信號的地面站至衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā) 到接收信號地面站間的距離；根據(jù)幾個(gè)臺站的多站同步觀測交會得到衛(wèi) 星或航天器的軌道。本發(fā)明與專利200310102197.1不同點(diǎn)在于，原專利申請要求每個(gè)測 軌站都要發(fā)射信號，也同時(shí)接收信號。當(dāng)每個(gè)測軌站都發(fā)射信號時(shí)，容 易暴露測軌站的位置，在戰(zhàn)時(shí)容易遭受打擊或摧毀，為此，本發(fā)明提出 改善測軌系統(tǒng)隱蔽性和提高抗打擊、抗摧毀能力的新方法、新技術(shù)和新 系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服所有臺站均發(fā)射信號，容易暴露測站位置，遭到打擊不足 之處，本發(fā)明提出了一種轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星測軌定軌方法的修正和補(bǔ)充方法。 其特征是僅有一個(gè)發(fā)射站，理論上只要有一個(gè)發(fā)射站就行，考慮到戰(zhàn)時(shí) 抗打擊能力，可以建備份發(fā)射站或副發(fā)射站，或用車載移動站。新系統(tǒng) 適用于裝置有轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星或航天器。本發(fā)明的測軌方法，是通過測時(shí)延達(dá)到測距的目的，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星 或航天器的精密測軌定軌。本方法需要在地面建立一個(gè)中心發(fā)射站，三 個(gè)以上的接收測軌站，每個(gè)測軌站的時(shí)間要求同步。中心發(fā)射站發(fā)射有 測距碼的微波載波信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后，再由本站和其它測軌站 接收解調(diào)，得到由發(fā)射站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至接收站的時(shí)延，將時(shí)延乘以電磁 波傳播速度，便得到電磁波傳播的路徑距離；該路徑代表了中心發(fā)射站 至衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至有接收功能的地面接收站的距離。測量得到偽距后， 可以交會得到衛(wèi)星或航天器的軌道位置。衛(wèi)星測軌站要求配置原子鐘，各站間時(shí)間同步精度優(yōu)于0.2ns;從而使距離測量內(nèi)部精度達(dá)到厘米級，使衛(wèi)星測軌、定軌精度達(dá)到米級。 轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，是從衛(wèi)星雙向時(shí)間比對中引伸出來的，本身可以實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步，并可高精度測定衛(wèi)星位置和軌道，雙頻觀測模式可以建立電離層改正模型，實(shí)現(xiàn)測定電離層時(shí)延誤差，為電離層研究提供新途徑。所述的轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，時(shí)間同步和測軌為獨(dú)立觀測量，測軌站的時(shí)間同步誤差不影響測軌。該方法利用微波作為載波，可全天候全天時(shí)工作，不受天氣影響。在這方面優(yōu)于光學(xué)測軌和激光測軌方法與技術(shù)。所述的轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站至衛(wèi)星、衛(wèi) 星至接收站的高精度偽距測量，從而可以獲得轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星高精度位置和 軌道數(shù)據(jù)。所述的轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，其可以通過一站至多站 的距離測量，測量出轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延和發(fā)射站時(shí)間同步誤差。所述的轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，其所述的測軌接收站，由具有接收功能的小型衛(wèi)星地面站天線、低噪聲放大器(LNA)、接收機(jī)、計(jì)算機(jī)、高精度原子鐘及各測軌站之間的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。通信鏈路 按標(biāo)準(zhǔn)方式連接，設(shè)備的選取根據(jù)所測衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率、載噪比、載 波情況而定。進(jìn)行通信鏈路計(jì)算，以保證整個(gè)通信鏈路能完成傳輸功能。 所述的發(fā)射站可以選擇其中一個(gè)測軌站，以中心測軌站為最宜，這 樣便于整個(gè)系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)處理。這個(gè)測軌站應(yīng)具有實(shí)時(shí)或定時(shí)進(jìn)行收 發(fā)通道時(shí)延測試的功能， 一般是收發(fā)復(fù)用站，這樣便于對發(fā)射信號實(shí)行 監(jiān)測，發(fā)射站可以有備份站。備份發(fā)射站可以是固定站，也可以是移動 站。本發(fā)明基于多通道衛(wèi)星單向時(shí)間傳遞技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙頻一臺站發(fā)射信 號，多臺站同時(shí)接收信號。系統(tǒng)只要一個(gè)擴(kuò)頻碼，把時(shí)間信號調(diào)制后發(fā) 送給衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后，各接收地面站接收信號解調(diào)后求得本 地臺站至中心測軌站之間的傳輸時(shí)延。在路徑時(shí)延計(jì)算時(shí)，還應(yīng)消除各 種系統(tǒng)誤差的影響，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星的高精度測軌，這是一種一站 發(fā)多站收測時(shí)延得距離的測軌定軌技術(shù)，具有高精度、較隱蔽、能全天 候工作等特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的一發(fā)一收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)式測軌基本原理圖；圖2是本發(fā)明的一發(fā)多收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)式測軌原理圖圖3發(fā)射站設(shè)備框圖；圖4接收站設(shè)備框圖；圖5是一發(fā)多收測軌系統(tǒng)組成示意圖。
具體實(shí)施例方式請參照圖3至圖5,本發(fā)明在地面段裝置一個(gè)發(fā)射站和三個(gè)以上地 面衛(wèi)星接收站。本發(fā)明系統(tǒng)只要求一個(gè)測軌站發(fā)射信號，其它臺站同時(shí) 接收該發(fā)射臺站的信號，原則上其它臺站只要求具有接收功能。接收站 內(nèi)除包括天線、低噪聲放大器(LNA)、接收機(jī)、電源等常用設(shè)備外，還 必須配置高精度原子鐘作為頻率和時(shí)間基準(zhǔn)，要求精度優(yōu)于lxl0-'2秒。 有了高精度的時(shí)鐘，并利用高精度測距碼，通過偽碼相關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)高 精度的時(shí)間差測量,實(shí)現(xiàn)高精度的距離測量。本系統(tǒng)必須精確測定接收站的地理坐標(biāo)和實(shí)現(xiàn)接收站間的時(shí)間同 步，要扣除電波上行的電離層時(shí)延影響和對流層時(shí)延影響、下行的電離 層時(shí)延影響和對流層時(shí)延影響以及接收機(jī)時(shí)延影響等，從而準(zhǔn)確求得上 行線路時(shí)延和下行線路時(shí)延，精確地進(jìn)行距離測量。得到中心測軌站至 各接收站的距離測量值以后,可以求得衛(wèi)星的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的 精確測軌。為了精確求解衛(wèi)星的空間位置，必須重視測軌站的布局，因?yàn)闇y軌 站的位置布局會直接影響測軌的精度，不同的測軌站布局有不同的幾何 精度衰減因子(GDOP)，最終影響衛(wèi)星測軌的精度(C7:GZ)Oi^^,)。 下面介紹轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星定軌原理，請參照圖l、圖2:發(fā)站時(shí)間基準(zhǔn)的秒脈沖(lpps)經(jīng)終端調(diào)制成中頻(70M)，由發(fā)射站上變頻發(fā)射送至衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器把信號轉(zhuǎn)換成下行頻率送至接收站，測得發(fā)射站(c站)至接收站(J站)的總時(shí)延，其關(guān)系可表示為其中，& 一接收站接收到發(fā)射站信號時(shí)的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器讀數(shù)；r,一發(fā)射信號時(shí)接收站的鐘面時(shí)刻；71 —發(fā)射信號時(shí)發(fā)射站的鐘面時(shí)刻； ,一從發(fā)站到衛(wèi)星間信號時(shí)延； 《一衛(wèi)星到接收站間信號時(shí)延； "、一衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的時(shí)延； 《^一發(fā)射站儀器的發(fā)射時(shí)延； " 一接收站儀器的接收時(shí)延。設(shè)△7>=Tj-TcA27—接收站原子鐘相對于發(fā)射站原子鐘的鐘差。 式中，未計(jì)入相對論效應(yīng)，稱作Sagnac效應(yīng)，其改正量為-2W/C2。 其中C一光速；w—地球旋轉(zhuǎn)角速度；^一是衛(wèi)星、地心與兩站之間連線圍成面積在赤道上的投影面積。 在路徑傳播時(shí)延中，應(yīng)考慮大氣對流層時(shí)延和電離層時(shí)延。對流層時(shí)延可采用微波輻射計(jì)或根據(jù)地面氣象資料用模型計(jì)算后扣除；電離層 時(shí)延與頻率平方成反比，相同的路徑、不同的上行和下行頻率，其時(shí)延 是不同的。對于KU波段，其上下行電離層差異小，影響可以忽略；C波 段要考慮上行和下行因頻率不同引起的影響。一發(fā)多收也可以實(shí)現(xiàn)多站交會測量， 一種方法是在發(fā)站設(shè)接收裝置， 從而可以求得發(fā)站至衛(wèi)星的時(shí)延。知道了發(fā)站至衛(wèi)星的時(shí)延i '，則由發(fā) 射站經(jīng)衛(wèi)星至接收站的時(shí)延&中減去衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延r,和發(fā)站至衛(wèi)星的 時(shí)延i '，就能得到衛(wèi)星至每個(gè)接收站的傳輸時(shí)延i^，這樣可以實(shí)現(xiàn)多站、在上面觀測原始方程中，包括四種類型的未知量1、原子鐘不同 步引起的時(shí)鐘鐘差，包括發(fā)射站時(shí)鐘不同步誤差和各接收站間的同步鐘 差；2、儀器發(fā)射通道傳輸引起的時(shí)延和接收通道傳輸儀器接收引起的時(shí) 延；3、路徑引起的時(shí)延；4、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器引起的時(shí)延。其中，路徑引起 的時(shí)延是最為關(guān)心的時(shí)延，其它時(shí)延如衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延或儀器誤差，希 望能抵消或直接測定。先討論中心站接收能力。如果中心站接收信號，那么觀測方程為j—丄^"丄T丄T^丄^K Acc 一 r+rc +z^+rc +Tc這時(shí)，其它接收站接收中心站發(fā)射經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號，其時(shí)延為= , + < + r盧^ + ^ +若由R,e減去Ree，并有《rf (要考慮相對論效應(yīng))，則二個(gè)原始觀測式 相減得上面觀測方程中儀器誤差可直接測定，因此，上面四個(gè)方程就能求解衛(wèi) 星軌道和轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延。系統(tǒng)組成及主要設(shè)備本發(fā)明的整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)收發(fā)測軌站和多個(gè)測軌接收站構(gòu)建而成(見 圖5)，收發(fā)測軌站裝置有(見圖3):(1) 小型衛(wèi)星通信天線(2) 低噪聲放大器(3) 高功率放大器(4) 下變頻器(5) 上變頻器(6) 調(diào)制解調(diào)器(7) 計(jì)算機(jī)及基帶設(shè)備(8) 高精度原子鐘；(9) 時(shí)間和頻率分配器(10) 氣象設(shè)備(11) 微波輻射計(jì)(12) 其他傳感器 接收測軌站裝置有(見圖4):(1) 小型衛(wèi)星地面站天線(2) 低噪聲放大器(LNA)(3) 下變頻器(4) 解調(diào)器(5) 計(jì)算機(jī)(6) 高精度原子鐘(7) 時(shí)間和頻率分配器(8) 氣象設(shè)備(9) 微波輻射計(jì)設(shè)備的選取必須根據(jù)所測衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率、載噪比、載波情況等， 并進(jìn)行通信鏈路計(jì)算，從而保證整個(gè)通信鏈路能完成傳輸功能。本測量方法，在C波段應(yīng)用時(shí)，時(shí)間測量精度已可達(dá)到0.1 0.2ns， 所以距離測量內(nèi)部精度已能實(shí)現(xiàn)厘米級測量精度。
權(quán)利要求
1. 一種轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，使用衛(wèi)星、深空飛行器和多數(shù)個(gè)地面測軌站；其特征在于，只有一個(gè)測軌站發(fā)射測量信號，為發(fā)射臺站，發(fā)射臺站配置發(fā)射信號和接收信號設(shè)備，其它測軌站不發(fā)射信號，僅接收信號；這樣不但簡化了測軌站設(shè)備配置，而且提高了系統(tǒng)隱蔽性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾和抗摧毀能力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法， 其特征在于，所述發(fā)射測量信號的發(fā)射臺站，為中心測軌站，以 便于測軌系統(tǒng)管理與數(shù)據(jù)處理，有利于測軌定軌；在戰(zhàn)時(shí)，變更 發(fā)射臺站或啟用流動發(fā)射臺站為中心測軌站，流動發(fā)射臺站在運(yùn) 動中工作而觀測精度不受影響，這樣有利于系統(tǒng)的隱蔽性和抗干 擾能力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，其 特征在于，適用于C波段衛(wèi)星，同時(shí)適用于L、 S、 X、 Ku、 Ka的多種頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的測軌定軌。
全文摘要
本發(fā)明轉(zhuǎn)發(fā)式一站發(fā)多站收衛(wèi)星測軌方法，涉及深空跟蹤技術(shù)，僅需有一個(gè)地面測軌站具有信號收發(fā)功能，其它地面測軌站均為接收站。戰(zhàn)時(shí)，發(fā)射站可以根據(jù)需要變更，甚至發(fā)射站在運(yùn)動中發(fā)射而不損失精度，從而使整個(gè)系統(tǒng)隱蔽性好，有效地防止敵方發(fā)現(xiàn)測軌站，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗摧毀能力和抗干擾能力。
文檔編號G01S5/14GK101241175SQ20071006369
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月7日
發(fā)明者施滸立, 李志剛, 楊旭海, 艾國祥 申請人:中國科學(xué)院國家授時(shí)中心;中國科學(xué)院國家天文臺