陈尹翔;张军;刘翔
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【摘 要】GPS (Global Positioning System)通过终端接收并处理GPS卫星所发射的无线电磁波信号,从而确定用户接收端(观测站)到轨道卫星的天地距离,从而确定并定位观测站的方位.卫星对卫星的追踪(SST)技术实质是通过高分辨技术来测量两颗GPS卫星间的距离变化,SST技术主要是指高低卫星追踪和低低卫星追踪两类.前一种是高轨道卫星(如GPS卫星、对地静止轨道卫星等)追踪低轨道(LEO)卫星或者空间飞行器,后一种近似为同一低轨道上空的两颗卫星之间的追踪,两颗GPS卫星之间可以距离数百千米.这两种卫星对卫星的跟踪技术都将LEO卫星作为反映地球重力场变化的传感器,利用卫星之间单向或者双向的测距系统,来测定GPS卫星间的相对速度及速度变化率.本文在国内外SST研究基础上,针对目前的相关热点问题,对SST确定的重力场理论与方法进行了系统性学习与研究. 【期刊名称】《火控雷达技术》
【年(卷),期】2017(046)002
【总页数】8页(P15-21,26)
【关键词】GPS;卫星追踪;高轨卫星;低轨卫星;地球重力场
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【作 者】陈尹翔;张军;刘翔
【作者单位】西安电子工程研究所 西安710100;西安电子工程研究所 西安710100;西安电子工程研究所 西安710100
【正文语种】中 文
【中图分类】TN95;TN967.1
制作候车亭Abstract: GPS(global positioning system) is used to determine distance between space to ground of user’s receiving terminal (observation station) to orbit satellite by terminal receiving and processing radio electromagnetic wave signal transmitted by GPS satellite so as to determine and position observation station in azimuth. Technological essential of satellite to satellite tracking (SST) is to measure distance variation between two GPS sate
llites via high resolution technology, mainly referring to kinds of technology like high-low satellite tracking and low-low satellite tracking. The former refers to high orbit satellite (for example GPS satellite, to ground stationary orbit satellite, etc) tracking low orbit satellite (LEO) or aircraft in space; the latter is similar to tracking between two satellites over same low orbit. The distance between two GPS satellites can be up to hundreds of kilometer. These two-kinds of satellite to satellite tracking technology will use LEO satellite as sensor to reflect change of earth gravitational field to survey relative velocity and percentage velocity variation by using one-way or two-way ranging system between two satellites. On basis of study on domestic and oversea SST, aiming at actual correlated hotspot issue, the gravitational field theory and method determined with SST is studied systematically.
Keywords：GPS; SST; high-orbit satellites; low-orbit satellites; earth gravitational field
卫星跟踪卫星技术SST(Satellite-to-Satellite Tracking)的提出主要是为了解决从地面上跟踪卫星的难题。由于传统大地测量卫星为了以最大程度回避大气阻力、地球反射和热辐射压
等非保守力对卫星的影响，尽量将卫星置于中、高轨道上，同时要求卫星的形状规则并有较大的质面比，这对于利用星载雷达测高仪测定海面高，然后再研究地球重力场的方法是适合的。但随着人类对深人探测地球的迫切性，科学家们对地球重力场的探索有着越来越高的要求：一方面要求有高分辨且能全球覆盖的地球重力场信息内容，另外对中长波部分的地球重力场的精度也有很高的要求，部分课题需要对中长波部分的重力场因时间变化的信息。但当前最先进的地球重力场模型以低于亚分米级的精度来满足中低轨轨道卫星定轨的基本要求。利用卫星测高标定的海面。需要相应波长的厘米级海洋大地水准面来研究海洋和海流。同时需要建立全球的高程基准需要在50-100km的距离范围内拥有优于精度5cm的大地水准面，而当前大地水准面的精细程度同上述的精度要求差一个数量级。这些目标取决于在全球范围内探测重力场和测定重力场信息的科技发展水平。传统卫星基于重力探测技术的摄动方法，存在着两个物体之间万有引力大小与距离平方成反比这个衰减的问题，如果要提高卫星对地球重力场的精细反应就必须得降低卫星轨道高度。地面跟踪的问题就成为比较突出的问题。
碱性水机GFZ-1是GFZ为了探测地球重力场发射的一颗低轨道激光卫星。如上图所示：图中的椭圆区域即为GFZ-1的可跟踪范围。虽然该卫星具有与CHAMP相当的轨道高度，但是由于不能
进行有效连续的全球跟踪而无法有效的改善重力场模型。其它利用地面跟踪站进行跟踪的卫星轨道也类似，由于存在大量“空隙”地区的重力信息无法直接“观测”到，所以必须多颗卫星综合，同时需要建立大量的、全球均匀覆盖的跟踪站对卫星进行跟踪，并且还要加入Kaula条件等。通过以上的一系列方法来弥补没有星载GPS技术之前，人卫重力测量工作的致命弱点[9]。但是由于地面跟踪自身的难度和跟踪站全球均匀分布的困难以及其他方面的原因，无法解决以上难题。此外，传统的重力测定方法对获得全球均匀分布的重力场信息的能力受到了很大的限制，以至于在有些地区，传统技术可以说是完全无能为力。因此，卫星重力探测方法需要更大的技术及理论突破，为此，在60年代，科技工作者提出了卫星中继系统的概念，即卫星跟踪卫星概念的前身，但是研究的成果距离实用还有一定的距离。直到成本相对较低且具有相当高精度(cm级)的星载GPS精密定轨卫星技术的出现，才使卫星重力梯度测量和卫星跟踪卫星技术实现上述目标的新技术突破。其中，卫星跟踪卫星技术是本文研究的重点。
卫星跟踪卫星(SST)技术目前具有两类基本的模式。一类是高轨卫星跟踪低轨卫星的高、低模式(SST-hl)，另一类是在相似轨道高度的两颗卫星之间相互连续的跟踪的低-低模式(SST-ll)。这两种模式的联合使用可以派生出另一种模式—混合模式，即高-低卫星跟踪卫星和低
一低卫星跟踪卫星融于一个体系(如：G队CE)。特别是以GPS、GLNOASS和Galileo系统为代表的GNSS(Golobal Navigation Satellite System)的出现使得SST-hl已经成为当前SST系统普遍采用的方法。
SST-hl源自Baker于1960年提出的由几颗高轨卫星跟踪一颗低轨卫星以建立相关中继系统轨道数据的设想。之后为了满足计划轨道测定的需要，SST-hl被深人研究。1970年，Kuala对SST-hl的概念进行了比较详尽的描述。在20世纪70年代中期，NASA以应用技术卫星(ATS)作为高轨道卫星做了三次(SST-hl)实验：依次跟踪了NIMBUS-5、Apollo-Soyuz气象卫星及GEOS-3对地观测卫星。这几次实验了利用ATS-6卫星跟踪(位于轨道高度240km处)的数据，从而获得了南印度洋和大西洋地区的平均精度为7mGal，网格分辨率5°x5°；通过ATS-6卫星对GEOS-3(位于轨道高度800km处)的跟踪数据，改善了非洲、太平洋和大西洋地区的平均重力异常。最新研究证明，通过全球定位系统(GPS)来追踪中、低轨道卫星或者低轨道飞行器，能够在较低成本条件下，明显地提高了地球外部重力场的分辨率和精度。
依据数据处理的方法，SST-hl与地面站跟踪并无本质区别。但是采用SST-hl技术可使跟踪
数据的分辨率和覆盖率都有较大幅度的改善，近而在同等精度的要求下，采用SST-h1技术的工程成本较低。而在SST-hl技术基础上改进的SST-ll技术，将以更高的精度和分辨率测定地球重力场及其时变信息。
SST-II的理论可以追溯到1969年由Wolff提出的思想。在1978年，欧洲空间局(ESA)提出了一项为“SLALOM飞行”的计划。在80年代初，美国NASA又展开了 “重力卫星飞行计划”，来后被“重力场研究飞行计划”所替代：要求是通过约六个月在同一圆形极轨道上的两颗低轨道卫星的连续跟踪与测量，以2.5mGal、 100km的空间分辨率和7cm的精度来测定地球重力场以及大地水准面，后来因为“挑战者号”航天飞机失事而延迟了此项计划。而GRM实际上就是已经实施的GRACE任务的前身。
另一方面，卫星跟踪卫星技术的广泛使用是与卫星全球定位系统的发展密不可分的。由于星载GPS技术的出现，在SST技术中对低轨道卫星的连续高精度跟踪就不再是十分困难的事情。其观测方程类似于利用地面对卫星进行观测(如SLR，多普勒，照相观测等)。只不过在协议地面坐标系中，地面跟踪站位置相对固定，而GPS卫星位置不固定(需要GPS卫星精密星历)，而如果在惯性坐标系中处理，两者的处理方式则几乎一致。由于GPS的发展以及
真空度传感器
GLONASS的完善，特别是欧洲Galleon系统的即将实施，我们已经可以获得多元的全球定位信息，使我们有可能以较低的成本获得高精度、高可靠性的定位信息。表1列出了近期使用星载GPS技术的LEO卫星。
经过近几十年年的努力研究，SST技术已趋向成熟且实用。美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)陆续或者即将发射具有测量全球重力场能力的卫星：比如GRACE、CHAMP和GOCE。其中CHAMP是采用SST-hl模式进行地球物理研究的小卫星，已于2000年在俄罗斯Plesetsk卫星发射基地成功进行了发射。该卫星处于近圆极轨道，轨道倾角约为85°，起始轨道高度约为455km，在大部分观测阶段其轨道高度在300km以上，观测阶段末期轨道高度在300km以下，卫星寿命设计为五年。GRACE卫星探测计划是为了探测重力场、磁场和气象实验，它由一对GRACE低轨卫星组成，同时采用SST-hl和SST-h1技术.已于2002年3月18日在俄罗斯的Plesetsk卫星发射基地成功发射。GRACE卫星对在任务的初期将运行于500km的近极圆形轨道，卫星间距离约为200km。GOCE卫星探测计划用来开展重力场和静态洋流探索实验，同时进行卫星重力梯度(SGG)和SST-hl测量技术验证，于2005年发射成功。
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