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利用GNSS星间链路的航天器定轨方法研究

孟轶男;樊士伟;杨强文;宋小勇

【摘要】针对利用全球卫星导航系统(GNSS)星间链路实现用户航天器定轨时存在

的链路资源有限问题,构建基于GNSS星间链路的用户航天器定轨模型,设计了应用

流程,重点研究了星间链路测量频度、可建立链路数量等链路规划模式对用户航天

器定轨结果的影响,并分别针对高轨用户航天器和中低轨用户航天器进行仿真分析

和试验验证.结果表明:用户航天器与GNSS卫星建立星间链路的频度越高、数目越

多,动力学法轨道改进的效果越好;对高轨用户航天器采用广播星历,即使每6h只有

1条观测链路,也可以获得40m以内的定轨精度;对低轨用户航天器采用精密星历,

当每次观测链路增加到5条时,基本可以获得1m以内的定轨精度.

【期刊名称】《航天器工程》

【年(卷),期】2015(024)005

【总页数】7页(P31-37)

【关键词】全球卫星导航系统;星间链路;定轨;链路规划;应用模式

【作者】孟轶男;樊士伟;杨强文;宋小勇

【作者单位】北京跟踪与通信技术研究所,北京100094;北京跟踪与通信技术研究

所,北京100094;北京跟踪与通信技术研究所,北京100094;西安测绘研究所,西安

710054

【正文语种】中文

【中图分类】V412.41;P228

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全球卫星导航系统（GNSS）星间链路是指导航卫星之间直接建立的用于双向测距

及数据传输的无线电链路。为了实现GNSS自主运行，提升系统服务性能，满足

完好性指标，在GPS、GLONASS、Galileo及我国的“北斗”等导航系统中，建

有星间链路系统或在持续关注星间链路系统的设计，不过，目前大部分星间链路研

究主要侧重于导航系统内部的应用［1-4］。GNSS星间链路的波束范围可覆盖地

面、近地空间和深空［5-6］，兼具高精度测量和星间通信功能，可为导航系统之

外的用户航天器定轨提供一种新的有效手段［7］。传统导航卫星播发L频段导航

信号，其有效波束覆盖范围仅针对地面和地球附近用户进行优化设计，因此GNSS

导航信号只能用于低轨航天器的定轨。将该信号用于中高轨用户航天器定轨时，由

于天线波束角限制，面临可视导航卫星数目少、定轨精度差等问题，而高频段和宽

扫描范围的星间链路，能够有效克服这些问题。文献［7］中主要对利用GNSS实

现用户航天器定轨的可行性进行了初步分析，对具体的应用方式和策略并没有相关

文献报道。

GNSS星间链路有广播型和指向型两类，指向型是未来导航系统的发展趋势。对于

指向波束GNSS星间链路而言，由于可用于用户航天器的星间链路资源有限，要

同时保证导航星座和中高轨用户航天器的需求，系统需要根据用户航天器概略轨道

及定轨要求进行链路规划，使用户航天器能够接收到星间链路测距信号。本文主要

针对不同星间链路规划、调度模式下的用户航天器定轨精度进行仿真分析，可为后

续利用GNSS星间链路实现用户航天器定轨提供参考。

由于GNSS的L频段信号主要服务于距地面高度1000km以下的用户航天器，本

文重点探讨利用GNSS星间链路对传统L频段所不能覆盖的中高轨用户航天器进

行定轨的应用模式，主要包括用户航天器建立链路方式及定轨策略研究。

2.1定轨原理

对于用户航天器，可根据其概略轨道位