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量的原理。對同步軌道共位衛(wèi)星位置測量精度進行分析，得出結(jié)論，連接端站干涉測量技術(shù)能夠滿足同步軌道共位衛(wèi)星位置測量的要求。
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)星具有相對地球為“靜止”的特點，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、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)用價值和經(jīng)濟價值。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。隨著各國對同步軌道衛(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，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)星和德國一顆、法國兩顆衛(wèi)星共位運行。1992年德國科學(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，需要對窗口內(nèi)的衛(wèi)星確定絕對位
置；為提高同一個窗口的衛(wèi)星數(shù)量，避免衛(wèi)星間發(fā)生碰撞，需要精密測量衛(wèi)星間的相對位置。

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