1    引言

　　自1995年实现全面运行能力以来，GPS系统通过提供全球覆盖的定位、导航与授时服务，为人们的生活带来了巨大便利。从飞机的导航与精密进场着陆，到汽车的路线指示，再到各种五花八门的个人定位服务，可以说GPS的应用无处不在。同时，GPS的应用并未局限在地面和大气层以下，更是不断地向空间扩展[1]。GPS接收机由于其成本低、重量轻、低消耗、全天候、高精度、连续观测等优点，被越来越多地安装在卫星上。实际上，早在上世纪80年代，有关机构就已经开始了星载GPS定轨技术的研究。1982年发射的Landsat-4是最早搭载星载GPS接收机的低轨道卫星，其目的在于论证星载GPS的跟踪能力，不过当时的GPS接收机只有伪距测量能力。星载GPS作为一种高精度的定轨手段始于1992年发射的TOPEX/Poseidon（T/P）卫星，T/P卫星是美国NASA和法国CNES合作研制的海洋卫星，用于监测海平面的变化。T/P发射前，预期星载GPS径向定轨精度可以达13cm，但实际定轨精度达到了4cm，远远超越了预期水平。正是T/P卫星星载GPS取得的巨大成功，为星载GPS接收机在低轨道卫星上的广泛应用拉开了帷幕。目前，GPS定轨已经广泛地应用于低轨道卫星中，用于低轨卫星的精密定轨、实时导航、三轴姿态控制、编队飞行以及精确的时间同步等等，而以美国NASA为代表的研究机构正努力将GPS应用到中高轨道乃至更高更远的地方。

　　2    GPS空间服务区域的划分

　　2000年，美国发布了GPS运营需求文件（Operational Requirements Document，ORD）[2]，主要是针对新型的GPS-2F卫星，对其现代化升级后的系统能力进行定义。该文件首次对GPS的服务区域进行了划分，规定从地表到其上海拔3000km的区域为GPS陆地服务区域（Terrestrial Service Volume，TSV），而3000km到36000km之间的区域为GPS空间服务区域（space service volume，SSV），如图1所示。

图 1 GPS的服务区域划分

　　对于陆地服务区域，服务对象不但包括陆地表面的一切用户如车辆、大气层中的用户如飞机，还包括低地球轨道（LEO）卫星（一般在3000km以下）。由于GPS卫星的信号发射天线指向地球，并且信号波束的主瓣可覆盖海拔高度3000km以下空间区域，所以在此区域的LEO卫星与地面用户相比，其GPS服务性能并没有太大的区别，只是可能受到卫星轨道移动速度相对较高的影响。不过，当轨道高度超出3000km以外后，与GPS卫星在地球同侧的空间用户将无法收到GPS卫星的主瓣波束信号，只能接收到旁瓣信号或者无法接收到信号，如图2所示。而对于中地球轨道（MEO）、高地球轨道（HEO）航天器如地球静止轨道（GEO）卫星（36000km左右），由于高于GPS星座（20200km），只能接收地球另一面的GPS导航信号，并且只有在GPS卫星下行信号主瓣波束被地球遮挡构成的环形锥区域内才能接收到信号，当考虑地球表面电离层时接收情况更差。

图 2 GPS卫星信号覆盖范围示意图

　　2008年，NASA针对未来的GPS 3卫星的性能需求提出了进一步的空间服务区域划分[3]，将2000年定义的3000km到36000km的空间服务区域进一步分为两部分：（1）MEO空间服务区域，高3000~8000km；（2）GEO/HEO空间服务区域，8000~36000km，如图3所示。经研究表明，处于MEO空间服务区域的用户仍可在大部分时间观测到4个GPS信号，而处于GEO/HEO空间服务区域的用户，将无法保证同时观测到4个GPS信号，甚至经历无GPS信号的时期，见表1。

图3 GPS空间服务区域划分

表1 GPS在空间服务区域中的信号可见情况

　　随着卫星技术的发展，高轨卫星在通信、导航、气象、预警等方面正日益发挥着越来越重要的作用。不过，根据上文所述，GEO/HEO空间服务区域中的用户，要利用GPS进行定位将存在巨大的技术挑战。因此为研究GPS在高轨卫星的应用，国外开展了大量的实验[4]，如图4。

图 4 GPS在高轨卫星的试验与应用

　　1997年10月25日，美国空军发射了FALCON–GOLD卫星，用于测试和验证轨道高于GPS星座的高轨卫星的GPS定轨的可行性。该实验鼓舞了人们对于这种低成本高轨道卫星定轨技术的探索。

　　1997年10月30日，ESA发射了TEAMSAT卫星，这是由欧洲一些大学研发的多个实验载荷组成的小卫星，该卫星进行的试验中包括了高于GPS星座轨道的GPS信号接收实验，并在高于GPS星座轨道上接收到了GPS信号。

　　1997年12月2日，德国的科学卫星Equator-S发射入轨，转移轨道200km～36000km，最终轨道为500km～67000km，轨道倾角为4°。卫星上载有LEO星载GPS接收机的改进性接收机，安装有两个GPS天线。进行了有关GPS信号在高轨可用性的实验，在轨测量了GPS信号的几何分布、伪距、载波相位等数据，对未来可能的应用如自主轨道/姿态确定以及同步卫星的控制等进行了实验。卫星在轨道运行过程中，GPS接收机在距地面61000km轨道高度位置上跟踪到了GPS信号，接收位置超过了GEO卫星的轨道高度，从而证明了在GEO卫星上能够跟踪到GPS卫星发播的导航信号。

　　2000年，NASA发射了AMSAT-OSCAR-40（AO-40）卫星，并利用这颗卫星对GPS接收机用于HEO/GEO轨道卫星自主导航进行了探测性实验。实验在1000～58800km高的大椭圆轨道上展开。实验采用2个Trimble接收机、在航天器近地侧安装4个普通GPS天线、在航天器远地侧安装了4个高增益GPS天线。实验获得了大量的GPS导航信号数据，包括多普勒频移、信噪比、可观测星数量等。实验结果表明：在轨道远地弧段实际接收的GPS信号的信噪比能达到40～47dB-Hz，多普勒频移约为±10kHz。50小时内能见导航星在0～5颗之间变化。AMSAT OSCAR-40的实验结果进一步证明了基于GPS的高轨飞行器定轨是可行的，并增强了未来高轨GPS用户对实际信号特征的理解。

图5 AMSAT-OSCAR 40 (AO-40)卫星

图6 AO-40卫星轨道和姿态

　　近些年，很多国际组织通过理论研究、飞行实验，研制新型GPS接收机，开展微弱信号的快速捕获和跟踪处理技术以及可见星不足情况下的定轨算法研究，推进GPS在高轨空间的工作能力。

　　2001年，NASA的GSFC（Goddard Space Flight Center）开发了PiVoT GPS接收机，PiVoT最初是为LEO应用设计的，通过修改软件使得能够工作在LEO、GEO和更高轨道高度上，具有更快的信号捕获能力和微弱信号的跟踪能力。PiVoT GPS接收机如下图所示。

图7 PiVoT GPS接收机

　　未来，GPS在高轨卫星的应用将非常广泛。NASA正在开发的磁层多尺度（Magnetospheric Multi-Scale Mission，MMS）项目，由四颗大椭圆轨道卫星组成星座，计划于2014年发射。这四颗卫星将组成一个监测网，研究从太阳延伸至地球甚至更远深空的磁场结构。在该任务中，GPS接收机成为星间测距和报警系统（Intersatellite Ranging and Alarm System，IRAS）位置传感器的备选方案。

　　另外，在美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和NASA合作开发的“静地运行环境卫星”-R（Geostationary Operational Environmental Satellites，GOES-R）上，GPS接收机将作为关键的导航仪器。GOES-R将升级美国已经运行了近三十年的气象卫星，带来时效性和精确性更高的气象预测，提高对气象观察与探测的支持。首颗GOES-R系列卫星目前定于2015年升空。

　　4     结束语

　　美国根据GPS系统的星座分布及信号覆盖等方面的特点，将GPS的服务区域进行了划分，以便更好地利用GPS系统，挖掘其空间应用潜力，扩展其应用范围。尽管GPS在中高轨道卫星的应用要比地面应用和低轨卫星应用更为困难，但其具有的巨大的应用前景是不容忽视的。研究利用GPS卫星导航系统的高轨飞行器定位技术既重要又有现实意义，利用GPS为高轨卫星提供精确的定位服务，可以减少地面设备的费用，简化定轨设备，提高定轨精度，增加可靠性，其研究成果对卫星导航的产业化发展及高轨卫星自主定位的发展具有重要的工程应用价值。

　　[1]     Anthony J. Russo，Bernard J. Gruber，“U.S. Space-Based Positioning,Navigation and Timing Policy and Program Update”， ICG-7, Beijing, China, November 2012

　　[2]      “Air Force Space Command/Air Combat Command Operational Requirements Document (ORD) AFSPC/ACC 003-92-I/II/III Global Positioning System (GPS)”. February 18,2000.

　　[3]     C. Moreau,“GPS Space Service Volume - Increasing the Utility of GPS for Space Users”, Flight Dynamics Analysis Branch NASA Goddard Space Flight Center October 16, 2008.

　　[4]     James J. Miller, Michael C. Moreau，“Enabling a Fully Interoperable GNSS Space Service Volume”，International Committee on GNSS (ICG) Working Group B, ICG-7, Beijing, China, November 2012.

　　（北京空间科技信息研究所 赵爽）