[科普中国]-卫星定向技术

起源

卫星定向是基于卫星载波相位信号干涉测量原理，确定空间两点所成几何矢 量在给定坐标系下的指向。空间两点一般是指两个测量天线的物理相位中 坐标系可以选地心地固坐标系ECEF( Earth Centered Earth Fixed)、当地水平坐标 系或体坐标系。目前，常用的是当地水平坐标系，如北天东坐标系，此时根据基线 矢量可直接解算得到其相对于真北基准的方位角和相对于水平面的俯仰角。2

卫星定向中的载波相干测量原理源于20世纪60年代末发展起来的甚长基线干涉测量技术VLBI( Very Long Baseline Interferome Iry)。VLBI 的基线往往长达几十甚至上千公里。VLBI最初用于天体物理、天体测量和空间大地测量，由于其特有的超高空间分辨率和定位精度，并能全天候、全天时被动观测，问世不久就广泛地应用于航天测控、精密时间比对等新的学科领域。

20 世纪 90 年代还发展了空间 VLBI-SVLBI(Space Very Long Baseline Inter-ferometry)或 0VLBI( Orbiting Very Long Baseline Interferometry)技术，观测信号 相对天线均可视为平面波。卫星定向可看作按一定比例缩微了的利用人造天体载 波信号实施“VLBI”的应用分支之一。尽管相对VLBI而言，星站距离较近（中高轨 道卫星高度约几万公里），当基线长度仅为数十米至数百米量级时，多个天线对卫 星载波信号同步观测仍可近似将其看作平面波。而且由于卫星定向无需VLBI那 么高的角度分辨率(最高可达微角秒级），因此平面波的假设对于短基线卫星定向 而言引入的角度误差是可以忽略的。2

发展历程

卫星定向技术是伴随着全球定位系统GPS的发展而逐渐成为国内外卫星导 航相关领域的研究热点，其发展历程大致可分为三个阶段。

第一阶段:20世纪70年代末至80年代初，主要表现为卫星载波相位干涉测量思想的提出以及初步理论的形成。

在此期间，由于GPS空间星座尚未完善以及终端硬件开发缓慢且价格昂贵， 这方面的工作主要是进行仿真研究。早在GPS建设初期，Spinney1976年在ION 国家航天会议上首次提出利用GPS卫星载波相位测量确定载体姿态，被普遍认为 是卫星定姿定向思想的首创者。随后Ellis与Greswell发展了以GPS作为信号 源的干涉定姿系统线性误差模型，以此来估计航天器的三轴姿态及陀螺的不对准 角与漂移.并给出了相应的数字仿真结果。几年后，Greenspan等人阐明了利用 GPS载波相位进行精密测距的技术及其优势,Brown等人提出将载波相位用于 方位确定，通过仿真表明经动态辅助的GPS干涉仪可达到50微弧的相对精度。 随后，Joseph和Deem于1983年公布了利用静态单基线接收机系统得到的实验结果。3

第二阶段:从20世纪80年代中期至90年代中期。

随着GPS空间系统的逐步完善和接收机技术的不断发展，对GPS卫星定向相 关技术的研究也逐渐开展起来，此间重点在于卫星定向方法及关键技术的研究与 实验验证，特别是利用较高性价比GPS OEM(Original Equipment Manufacturer)接收板组建定姿定向系统的研究开发成为可能，并逐步发展为卫星导航领域中的一 个研究热点。另外，精度与可靠性的不断提高也成为关注的重点。3

第三阶段:20世纪90年代中期以后。主要表现为GPS定向技术逐步成熟，工程化应用日益普遍，并出现了多种商用GPS定向测姿产品；关键技术取得了一系列理论突破，与其他学科理论呈现交叉融合的趋势。3

几种定向方法比较

不同的定向方法具有各自的技术特点和适用范围。现从定向设备、起算数据、定向精度、外界影响因素等方面进行比较，结果如表 1 所示。

在表 1 所示的 5 种定向方法中，磁定向法是最方便的方法;但该方法受环境影响大，可靠性差，在很多场合难以使用。陀螺经纬仪定向法克服了磁定向法的缺点，它在纬度 75°范围内能提供稳定的航向角;但超过该范围，它的精度随着地球旋转轴的距离减小而降低。几何定向法和天文定向法精度高;但是定向时间较长，效率较低，而且测量受环境气候的因素影响大。卫星定向具有设备结构简单、精度稳定、体积小和可靠性好等一系列优点。综合比较 5 种常用的定向方法，卫星定向技术具有定向精度高、受环境影响小、成本相对低廉、能够同时得到高精度的位置信息等优点，能较好地满足大部分的军事和民用的需求，是近二十年来应用范围拓展较快的定向方法。1

应用领域

卫星定向技术是由卫星导航定位派生出来的一项新技术，虽然发展时间不长， 但由于其具有成本低、精度高、小型化、全固态、实现简单等优点，已在许多工程应 用领域崭露头角，并具备了广阔的应用前景。

1、卫星快速寻北技术

利用GPS卫星定向技术可实现GPS罗盘，实时指示 北向信息。与传统的应用地磁场的磁罗盘或敏感地球自转角速度矢量水平分量的陀螺寻北仪相比，卫星罗盘具有以下显著优势：

(1)精度高，指示真北方位而非磁北；

(2) 不受地磁场及局部环境的影响，精度较为均匀；

(3) 无需重调时间；

(4) 成本低，维护费用低廉；

(5) 在靠近极地区域仍可提供可用的方向信息。 随着卫星接收机系统的小型化，利用导航芯片、高性能天线组成各自车载、舰载、单兵便携式高精度卫星寻北装置逐步成为现实。2

2、辅助惯导系统快速初始对准

在无任何外部辅助手段的情况下，纯惯性系统的导航精度主要取决于两个方面:初始对准精度和惯性测量器件的精度。针对捷联惯性系统而言，其初始化过程包括装定初始速度和初始位置、捷联平台（即数学平台）的初始对准、惯性仪表的测漂和标定。而初始方位对准，或称为寻北过程，是惯导系统快速初始化的关 键技术。

卫星定向技术为惯性系统寻北提供了另外一种新的思路与途径，利用卫星快速定向提供的真北方位信息传递给惯导系统，从而实现惯导系统的高精度方位快速初始对准，提高惯导系统反应能力。2

3、变形监测

卫星定向技术能够精确地确定空间两点之间的矢量，精度可达毫米级，如果进 行持续观测，则可以精确测定矢量两端的相对三维运动情况，因此可以广泛用于诸 如板块运动、海洋河流水平面变化、局部地区的地壳形变、工程建筑物（如大 坝、桥梁、厂房等）的变形滑坡崩塌、矿藏资源开采区的地面沉降、海上石油勘 探平台沉陷等的监测，而且具有观测不受气候条件限制、测站间无需通视、自动化程度高等优点。2

4、辅助炮兵阵地联测、战略导弹发射方位确定

炮兵阵地联测是指测定观察所、火炮位置（坐标、高程）和赋予火炮、观测器材 的基准射向，它是炮兵侦察和射击的重要准备工作。炮兵进行阵地联测，通常以方向盘作为主要的指挥器材，方向盘首先通过磁北定向，然后通过当地的磁偏角修正 得到坐标北向。

将卫星定向技术应用于炮兵阵地联测的最直接而简单的方式，就是利用卫星 寻北取代方向盘中的磁针寻北。与指北针相比，卫星定向技术具有以下优点：

(1)定向精度高，如3m基线即可达到1mil(0.06°)的定向精度；

(2)不受地球磁场的影响，而磁针的指北精度因时因地而异；

(3)随着定向精度的提高，通过测角测距来确定待定点坐标的精度也相应得 到提高。

5、卫星/INS组合航向确定技术

卫星导航系统与惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS)具有天然的互 补性，前者可以弥补后者导航精度随工作时间发散的缺点，而后者的全自主性可以 增强前者抗干扰特性,弥补其数据更新率低的不足，并在卫星信号失锁期间继续输 出导航数据，因此二者的组合可以大大提髙整个导航系统的精度与可靠性。对卫 星/INS的各种组合技术诸如松组合、紧组合以及深组合的研究也已经非常深入， 并得到了广泛应用。

将卫星定向技术结合到卫星/INS组合之中，实时确定载体的航向信息，也有着较宽的应用领域，如无人机、无人侦察车、舰艇、巡航弹、巡航飞机等。利用惯导 的姿态信息可以加速卫星定向中的模糊度确定，以及卫星信号失锁后的快速恢复， 并且惯导的速度信息也可以辅助卫星接收机内部码环与载波跟踪环实现对卫星信 号的快速捕获，从而极大地提高系统的鲁棒性。2

发展趋势

近年来国际上卫星定向技术仍在不断发展，主要呈现 3 个趋势:一是由原来的单纯 GPS 定位定向转变为 GNSS 定位定向;二是大力缩短定位定向的时间，实现满足精度需求的快速定位定向;三是仪器的平台集成化及小型化改进。1