北斗卫星导航系统增值服务与运管探讨

CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会北京1—1—北斗卫星导航系统增值服务与运管探讨刘咏王鑫(中国卫星海上测控部，江苏江阴，214431)摘要：北斗卫星导航系统正在建设，借助导航卫星用于测控服务的有效载荷，发挥导航卫星作为定位基准的独特优势，建立天基标校系统已成为可能；通过地面控制中心的集中统一管理，根据用户单位需求设置相应的技术状态，导航卫星可配合地面测控系统完成标校及设备性能检验工作，从而为测量船的海上作业提供极大便利；测量船作为一个灵活机动的综合测控站，可在海上关键位置为北斗卫星导航系统的运行管理提供重要支持。主题词：导航卫星；标校；角跟踪特性；跟踪精度DiscussingOntheAdditionalServiceandOperationManagementoftheCOMPASSNavigationSystemLiuYong,WangXin（ChinaSateliteMaritimeTracking＆ControlDepartment,JiangsuJiangyin,214431,China）Abstract：BasingtheavailableloadanditsspecialadvantageontheorientationoftheCOMPASSNavigationSystem,whichwouldbeconstructedsoon,itwouldbelikelytoestablishthesatellites-basedcalibrationsystem.Managedbythegroundedcontrolcenter,navigationsatelliteswouldhelpthecontrollingandtrackingsystemonthegroundaccomplishcalibrationandinspectionoftheequipments,soitcouldprovideconveniencetothemaritimeworkofthemeasureboat.Beingamobileintegratedtracingandcontrollingcenter,measureboatcouldgiveimportantsupporttothemanagementoftheCOMPASSNavigationSystemespeciallyatthekeypointonthesea.Keywords：navigationsatellite;calibration;angletrackingcharacteristic;trackingprecision1引言随着我国航天事业的飞速发展，航天发射活动日益密集，航天远洋测量船经常一次出海承担多次测控任务，船载测控系统在出航前完成的标校结果，往往受到海上作业时间长、环境恶劣、器件性能变化或下降等多种因素的影响，其准确性和有效性不高，其中尤其是角跟踪特性标校结果随环境及时间的变化而有很大变化，一定程度上影响了测控任务的顺利完成。当前，我国北斗卫星导航系统正在建设，全系统由同步卫星和非同步卫星组网而成，建成后可实现全球覆盖，其轨道高度适当，测控信号较强，可进行全天候、全时段的管理控制，因此可利用导航卫星为平台，综合应用其目前搭载的测控服务设备，在实现对卫星的轨道控制与业务管理的同时，实现对地面测控系统的标校功能。导航卫星的现有测控服务设备除工作频点较为有限外，设备配备已经较为全面，若适当调整部分设备，主要考虑以可变频综代替固定频综，则可构成较为完整的标校系统，从而可以依托卫星导航系统建立天基标校系统，这样可以有效解决船载测控系统海上不便标校的难题，同时也可以减少地面测控网标校系统的建设，节省大量的人力、物力，从而使北斗卫星导航系统发挥更大效益。另外，可以利用航天测量船的灵活机动特点，必要时为北斗卫星导航系统提供海上管控服务，从而更方便快捷地进行卫星的轨道控制和业务调整，这需要建立一个完善快捷的管理体制。下文对卫星导航北斗卫星导航系统增值服务与运管探讨2—2—系统用于标校的可行性、具体应用等进行了详细分析，并对有关运行管控体制进行了探讨。2导航卫星用于标校的可行性分析2.1地面测控系统标校需求我国已建立了比较完备的地面测控网，包含陆基测控系统和船载测控系统，这些测控系统大多采用单脉冲跟踪测角体制，根据设备的设计要求可分为单通道、双通道、三通道等几类，测控系统的天线转动方式大都为A-E轴方式，在跟踪测量空间飞行目标前，测控系统需要进行有关标校，以消除系统误差并调校系统特性，为此需建立配套的符合远场要求的标校塔，利用应答机（或信号源加校零变频器组合）等设备，通过发射、接收天线形成远场标校源，完成地面测控系统的角跟踪特性标校、距离零值检测和跟踪精度检测。各标校项目中，测控系统的角跟踪特性随工作频点的变化有较大变化，跟踪精度则相对稳定，一般不随工作频点变化，距离零值随工作频点变化有一定变化，但一般在允许范围之内。2.1.1基本标校原理基本标校原理基本标校原理基本标校原理陆基测控系统进行角跟踪特性标校时，在标校塔上设置好信号源或应答机的频点和信号强度，通过偏置方位、俯仰的方法对跟踪通道的相位进行校准，再调整参考支路信号增益，使得和、差信号实现相位、幅度一致，进而完成系统角误差解调特性即定向灵敏度的标定；进行距离零值检测时，根据转发比设置好应答机（或校零变频器）的频点，建立上、下行信号通道，地面测控系统完成双向载波捕获和距离捕获后，进行测距并记录数据，进而利用已知的塔距、应答机距离零值和有关电缆电信号长度分离出测控系统的距离零值；进行跟踪精度检测时，首先完成前两项标校工作，然后测控系统和标校系统完成双向载波捕获，进行一定时间的跟踪测量后通过数据处理与比对，获得测控系统的测角和测距的系统误差和随机误差，其中的系统误差用于跟踪飞行目标时的数据修正，此项标校也可与距离零值检测结合进行，但通常需要测定跟踪动态飞行目标的误差。船载测控系统在进行标校时，出航前的角跟踪特性标校工作同陆基测控系统，同时通过有线、无线自检的方法，记录下参考支路的移相电压（或相位）和增益调整数据，作为出航后标校的参考，通过建立适当的角跟踪特性标校模型，出航后综合应用各种手段完成角跟踪特性标校，但因无标校塔可用，一般难以直接通过单一手段快速标校；距离零值检测通常运用比较法，测控系统在进行码头距离零值标校，同时记录对船内或天线面上的合作目标的校零数据，出航后标校时参考对有关合作目标标校数据的变化情况，修正码头校零数据，进而完成距离校零，测控系统的距离零值一般较为稳定；跟踪精度检测一般通过校飞完成，出航进行海上作业时一般不具备此项标校条件，在进行设备检修等工作后相关误差无法得到快速有效的测定，其中角度跟踪的系统误差通过光电偏差检测等手段辅助进行比对修正。2.1.2基本标校设施基本标校设施基本标校设施基本标校设施测控系统的标校一般通过符合远场条件的标校系统配合完成，标校系统通常包括一套应答机、上下行变频器及有关功率放大器件，或以校零变频器代替应答机和上下行变频器组成标校系统，前者可为测控系统提供综合服务，并可工作于信标模式，后者设备简单，但提供的标校功能较为单一，且必须地面测控系统发上行信号配合标校。为满足远场条件且避免地面多径效应的干扰，通常需要在距离测控系统足够远的地方建造足够高的标校塔以安装标校系统。目前地面测控系统的标校主要通过标校塔配合实施，我国地面测控站多而分散，每一测控站均需建CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会北京3—3—立独立的标校系统，建设周期长、费用高，利用率有限，另外标校塔所需的配套设备等较多，管理维护工作较为烦琐复杂。对于船载测控系统，出航后因没有配套可用的远场标校源，出航前记录的标校结果，经常会受到设备故障、设备性能变化或下降、外界环境变化等因素的影响，准确性不高。综合而言，我国现有的标校系统不但分散独立，需要大量的财力和人力来支持，同时也无法满足特殊作业的测控站的使用需求，因此建立更加高效、统一的标校系统成为发展的趋势，随着卫星技术的发展，以卫星平台代替标校塔，建立天基标校系统已成为可能。天基标校系统的有效载荷需要包含标校及相关管控设备，由地面管控中心通过测控系统发送控制指令，实现对标校设备的开关机、技术参数状态设置等管理控制；应用于标校时，地面测控系统取得授权后可直接控制标校星实施相关标校。标校星可工作于两种模式，一是信标模式，该模式下标校卫星只发送下行信号，可供多个测控站同时实施角跟踪特性标校工作；二是应答模式，标校应答机工作在相干状态，该模式下标校卫星可供单个测控站完成全功能标校。在标校卫星搭载多套标校系统时，可同时供多个地面系统进行各种标校。如图1所示为单套标校系统的设备组成简略框图。图1单套标校系统设备组成框图2.2北斗卫星导航系统辅助标校功能的实现北斗卫星导航系统的导航卫星搭载有配合地面测控系统管控的服务设备，除工作频点相对固定外，此测控服务设备可以满足地面测控系统的标校需求，为具备全面的标校功能，需要对导航卫星现已搭载的测控服务设备进行适当调整，主要是：1）根据地面测控系统工作频率要求，以一定范围内频点可变的频综代替固定频点频综；2）调整有关监控系统，实现对可变频综的监控，并加强根据地面指令进行上下行信号电平等控制功能。3）发射前对应答机的距离零值等数据进行详细测定，并存档备用。导航卫星搭载设备适当调整后，除可以完成上文所述标校工作外，尚可辅助地面测控系统完成设备整体性能、伺服跟踪特性的测试验证，通过对应答机功能的进一步拓展，结合数据注入，甚至可以构建通用卫星模拟器平台，用于地面测控设备功能的全面调试、标校与检测。3北斗卫星导航系统的标校应用北斗卫星导航系统增值服务与运管探讨4—4—通过适当改进和管控，北斗卫星导航系统可构成天基标校系统，为地面测控系统的标校提供服务，尤其对船载测控系统的海上标校意义重大，可满足测控系统的角跟踪特性与距离零值标校，可帮助测控系统进行跟踪精度标定，并可在测控系统性能调试、状态调整或检修维护后，用以检验设备的整体性能状况，主要标校项目实施方法和流程如下：3.1角跟踪特性标校方法及流程利用天基标校系统进行角度标校时，基本原理和对标校塔标校相同，但由于卫星相对地面测控系统的一般较高，方位支路标校时需考虑俯仰角正割补偿问题，以单脉冲双通道跟踪体制的测控设备为例，具体标校流程如下：1）控制卫星标校系统工作于待标校频点，使标校星发出下行信号（卫星标校系统工作于应答模式时，可在接收到地面测控系统的上行信号后自动发出符合要求的下行信号，不必预先控制）；2）天线指向偏离标校星，确保接收不到标校星信号，调整角误差零点；3）天线指向标校星，使接收到的和信号最大；4）方位固定，俯仰偏开一定角度，调整方位支路参考信号移相器，使得方位误差电压为零，之后天线回零；5）俯仰固定，方位偏开一定角度，调整俯仰支路参考信号移相器，使得俯仰误差电压为零，之后天线回零；6）重复4、5，多次调整后确保角误差电压极性正确，方位、俯仰间无交叉耦合；7）方位固定，俯仰偏开3mil，按照天线设计时的角度增益，调整俯仰参考信号增益，使得俯仰角误差电压满足指标要求；8）俯仰固定，方位偏开3mil，按照正割补偿原理，计算方位支路的额定增益，调整方位参考信号增益，使得方位角误差电压满足指标要求。在导航卫星标校系统的工作频点不可变的情况下（假设为f1），需要在出航前，测控设备通过对标校塔等手段完成任务频点标校，并对标校星标定f1频点的角跟踪特性，出航后采用上述方法对标校星进行重新标定，标定的结果与码头标校结果进行比较，若无明显变化，则可认定任务频点的标校结果仍然有效，若发生变化，则通过角度标校模型对任务频点的标校结果进行修正，通过对某固定频点的同步卫星的多次标校试验，比较修正的方法对部分频点是有效可行的，但由于海上环境复杂及馈源工作的非线性，该方法对部分工作频点的标校成果有一定误差。3.2距离零值检测方法及流程距离零值检测对精度要求较高，需要精确测量测控系统至标校源的空间距离