摘要
GPS 技术不仅在海陆空移动目标的导航定位中具有广泛的应用,而且在航天领域内,在空间人造卫星和飞船的轨道和姿态确定中也得到日益增多的应用。利用 GPS 卫星信号进行定轨,其地面设备条件要求要比一般的无线电跟踪定轨网和人卫激光定轨仪要简单得多,且星上设备也很简单,只是利用一个单频或双频 GPS 接收机,而且能达到很高的定轨精度(分米级)。利用 GPS 卫星信号也能实现人造卫星的姿态确定,且能保持一定的精度(0.2°左右)。利用 GPS 卫星信号还能提供一个精确的时间参考。利用小卫星搭载 GPS 接收机实际上可以建立一种新的科学和工程技术平台,直接为简化小卫星技术提供了方便,并能降低卫星的成本。因此,国外也很重视这个领域中的实验研究。研究的重点是两个:一是星载 GPS 接收机,二是数据处理的算法软件研究。这一技术的扩展应用是卫星空间自主导航和实时轨道确定。在载人宇航大力发展的新世纪,这是一个十分有吸引力的研究课题。GPS 导航舱试验是在 PoSAT—1小卫星上进行的,于1993年9月成功地发射入轨。PoSAT—1是第一个利用 GPS 接收机的小卫星,也是第一个利用 GPS 实现自主定轨的卫星。地面和空间均需卫星的轨道根数。地面需要轨道根数是为了任务的工作安排。空间飞行体要轨道根数(位置)是为了姿态确定和控制系统的需要。卫星上的许多工作仪器设备,从通信到空间科学研究会有各种各样的定位精度要求,由 GPS 信号所确定的轨道根数能满足其中大部分要求。小卫星工作在许多情况下,没有足够的能源,为此 GPS 接收机可以断续工作,也能保证得到轨道根数。星载 GPS 接收机与地面测距和其它跟踪技术相比,有着许多优点,硬件的尺寸小、重量轻、功耗低、价格贱,全球覆盖,跟踪工作的方便,使它成为小卫星的理想的自跟踪子系统,可用于轨道确定、时间传递、姿态确定、卫星控制,以及卫星轨道自主保持等。小卫星通常的使命可能包括:存储和前向信息卫星、实时通信卫星和高与低分辨力的遥感卫星,鉴于这些要求,GPS 导航舱子系统应能完成以下任务:a)位置、速度、时间;b)GPS 测量数据记录;c)时钟同步;d)平均轨道根数产生;e)数据录入;f)由位置起动相关仪器工作;g)状态监测。为了完成上述任务,通常 GPS 导航舱由 GPS 接收机和微处理器组成。对于 GPS 接收机的硬件要求是:a)信道数大于9个;b)伪距和载波噪声分别为0.5—5m 和1—10mm;c)时钟为石英钟;d)灵敏度:≥38dBHz(C/No),≥—160dBW(PWR);e)天线波束宽度160度,最大增益6dB,最大增益损耗6.6dB;f)低噪声线性放大器增益6dB。对于软件的要求是:a)轨道确定Kalman 滤波技术.b)电离层效应缓解技术;c)在轨动态模式;d)数据处理算法。
