大类项目5：“天津大学一号”卫星-卫星轨道认知与STK仿真–GNSS-X

导航系统

位置服务，是GNSS项目的主要任务；然而经过多年的发展，GNSS技术已经广泛应用到了空间科学与地球科学的多个方面。

GNSS卫星及LEO卫星以及地面台站，通过测量信号传播的时间及相位，可以获得信号源（比如GNSS卫星）与接收机（比如地面台站）间的传播时间与相位，进而知道信号源与接收机间距离的伪距与相位。伪距，指并不是真是的发射机与接收机间的几何距离，而是由于信号传播过程中会受到多种因素影响，其传播时间对应的距离（乘以光速而获得）；相位则指通过记录某一初始时间的初相，记录累计相位观测数，以获得更高精度的距离信息。所以，两种观测数据，分别记为 $P_i$ 与 $L_i$ ， $i$ 表示不同频率对应的观测值，可以得到以下公式：

$P^i_{j,k}=\rho_{j,k}+n^{P,i}_{j,k}$

$\phi^i L^i_{j,k}=\rho_{j,k}+\phi^i N^{\phi,i}_{j,k}+\phi^i n^{\phi,i}_{j,k}$

$\rho_{j,k}=\sqrt{(X_j-X_k)^2+(Y_j-Y_k)^2+(Z_j-Z_k)^2}$

其中 $\phi^i$ 表示频率为 $f^i$ 的信号的波长，即 $\frac{C}{f^i}$ , $C$ 为光速; $\rho$ , 即真实几何距离； $j, k$ 表示不同的发射机与接收机； $X_j, Y_j, Z_j, X_k, Y_k, Z_k$ 表示不同接收机与发射机的坐标;关于伪距与相位中的 $n^{P,i}_{j,k}$ , $N_{j,k}^{\phi,i}$ , $n_{j,k}^{\phi,i}$ 分别表示伪距观测误差，相位观测误差及相位整周模糊度。

然而信号从等离子层穿过电离层（一般在 60km ～20000 km，即GNSS卫星（特别是GPS卫星）的卫星高度），中性大气（一般在2km～40km），最后直接或者通过反射传递到接收机天线——这一过程受到诸多因素的影响，为定位精度提高带了很多影响，同时也为误差所属研究方向提供了重要的空间观测信息。

注：这里特别指出30km～80km属于电离层与热层耦合区域，特别是电离层D层。

由于定位过程对于时间极度敏感，所以对与钟的稳定性要求极高。由于GNSS卫星相对用户数量较少，可以提供高精度的卫星钟以保证卫星信号在发射机传输时起算时间的准确性；而对于庞大的用户群体，比如全球及各国卫星监测站、个人手机及车辆，IoT产品以及无人驾驶车辆，为每个用户提供一个高精度的钟是不现实的。为此在一般定位过程中，一般假定卫星坐标与卫星时间是准确的，对地基用户或者数目庞大的用户，都是将信号接收时间当做未知量，联合未知的坐标，作为待估参数解算，从而得到准确的时间与坐标——这也是人们常说的，至少需要四颗卫星才可以实现定位，以及GNSS系统可以授时的原因。当然，卫星坐标虽然十分准确，但是卫星轨道需要地面观测站及注入站进行控制，卫星时间也受到卫星钟的稳定性影响，也会导致定位误差。卫星信号中的有实时卫星星历（其中包含钟差及钟漂信息，用以卫星钟校正），一般用于实时定位；同时各大数据分析中心以及IGS服务中心也有事后更加准确的卫星星历（具体信息可以在IGS中心查阅）以及其他产品。

当然，从另一面，如果知道了某个位置的坐标甚至时间，通过GNSS信号可以做什么呢？那就是获取“更精确”的 $n_{j,k}^{P,i}$ , $N_{j,k}^{\phi,i}$ , $n_{j,k}^{\phi,i}$ 来获得中性大气及电离层信息。在考虑多种误差的情况下，对这三个量进行展开如下：

$n^{P,i}_{j,k}=-C \delta t_j +C \delta t_k + \delta_{iono}^i +\delta_{trop} - C d^i_j + C d^i_k +m+\varepsilon$

$\phi^i(N^{\phi,i}_{j,k}+n^{\phi,i}_{j,k})=-C \delta t_j +C \delta t_k - \delta_{iono}^i +\delta_{trop} +m+\varepsilon$

其中 $\delta t_j, \delta t_k$ 与原时对齐下的信号时间与接收机/发射机钟的差值，一般叫卫星钟差与接收机钟差； $d^i_j, d^i_k$ 分别是卫星及地面台站的硬件延迟； $m$ 是多路径误差； $\varepsilon$ 是其他误差，包括地面钟狭义相对论影响、相对论效应、地球自转、固体潮、天线相位偏差、区域形变、参考框架长时间项，观测噪音等等。由以上可以知道，卫星钟差 $\delta t_j, \delta t_k$ 只与卫星/台站有关， $d^i_j, d^i_k$ 与卫星/台站和信号频率有关， $\delta_{iono}^i , \delta_{trop}, m$ 与卫星、台站及频率都有关系。通过地面参考框架，可以建立十分准确的大气及卫星模型以进行相关研究与应用，特别是改进精密定位在任和场景的实时解算。

当观测卫星，观测频段，观测台站，及观测时段足够多，便可以建立起对大地参考框架与区域性变形的监测以实现参考框架及地质形变的分析。

系统	频率
GPS(G)	L1				L2				L5
GLONASS(R)							L3
Galileo(E)	E1		E6			E5b		E5	E5a
BeiDou(C)		B1		B3		B2
QZSS(J)	L2		LEX		L2				L5
IRNSS(I)									L5
频率(MHz)	1575.42	1561.098	1278.75	1268.52	1227.60	1207.14	1202.025	1191.795	1176.45

GPS

从1995年4月27日，GPS宣布投入完全工作状态以后，翌年便启动了GPS现代化计划，对系统进行全面的升级和更新。作为GPS现代化的第一步，2000年5月1日美国正式终止可用性选择（SA），放弃人为故意恶化定位精度的政策，使得民用定位精度大大提高。GPS现代化在空间段和运控段方面的进程将在2013年前后完成。其后，GPS将进入GPSⅢ发展阶段。按照美国的国家政策，GPS的标准定位服务是供民用的，为全世界运输、科研的和平利用，不直接收取费用。

　　所谓的GPS空间段实际上是指其卫星星座。GPS基本星座由24颗卫星构成，分别在六个地心轨道面内。每个面内有四颗卫星工作，其中一颗是备份星。系统可支持总数为30～32颗的在轨卫星。卫星的轨道周期为半个太阳日（计11小时58分钟）。六个轨道均为圆轨道，在赤道面上是等间隔60°分隔，与赤道呈55°倾角。轨道半径（地球质心至卫星的距离）近似为26600公里。

　　对于基本星座，地球上任何地方的用户设备能清楚地见到的卫星至少为4颗卫星。更多的时间，用户在视野内能见到6～8颗卫星。用户通过接收卫星广播的测距信号和导航电文测量伪距，并估算其位置、速度和时间。这是一种无源的只接收广播信号的模式。下图分别为GPS卫星星座示意图，GPS卫星星座的基本参数，GPS系统基本星座图和卫星分布¹。

Beidou-1/-2/-3(BDS)

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，英文简写为BDS，以下简称北斗系统）由中国政府建造，免费为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、测速和授时服务。北斗是中国古代对大熊座部分星体的称谓，在古代被用作辨识方向，而今融合人类最新科技成果，重新赋予“北斗”全新内涵。

北斗系统的建设分为三个阶段，2000年年底，建成北斗一号系统，向中国境内提供服务；2012年年底，已建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；已在2020年，建成北斗三号系统，向全球提供服务。

系统组成

北斗系统空间段由若干地球同步轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和中圆地球轨道卫星（MEO）三种轨道卫星组成混合导航星座。

北斗二号基本星座采取5GEO+5IGSO+4MEO的形式；

北斗三号采取3GEO+3IGSO+24MEO的星座构成，卫星与卫星之间具备通信能力，可以在没有地面站支持的情况下自主运行。

系统信号

北斗系统除了发B1，还发射 B2 和 B3 频段的信号，与 Galileo 的 E5b 和 E6 频段有重叠。B2， B3 频段信号的定义已正式公布，可于北斗办官方下载查询²。

与 GPS 和 Galileo 相同，北斗系统也是不同卫星使用不同测距码的 CDMA 系统。MEO 和 IGSO 卫星所传输的信号与 GEO 卫星所传输的信号不同³。

基本导航服务信号

北斗二号

在B1、B2 和B3 三个频段提供B1I、B2I 和 B3I 三个公开服务信号。其中，B1 频段的中心频率为1561.098MHz ，B2 为1207.140MHz ，B3 为1268.520MHz
北斗三号

提供B1I、B1C、B2a、B2b 和 B3I 五个公开服务信号。其中，B1I 频段的中心频率为1561.098MHz ，B1C 频段的中心频率为1575.420MHz ，B2a频段的中心频率为1176.450MHz，B2b频段的中心频率为1207.14MHz ，B3I频段的中心频率为1268.520MHz。

服务类型		信号频点	卫星
基本导航服务		B1I、B1C、B2a、B2b、B3I	3IGSO+24MEO
基本导航服务		B1I、B3I	3GEO
星基增强服务		BDSBAS-B1C	3GEO
星基增强服务		BDSBAS-B2a	3GEO
短报文通信服务	区域	L（上行），S（下行）	3GEO
	全球	L（上行）	14MEO
	全球	B2b（下行）	3IGSO+24MEO
国际搜救服务		UHF（上行）	6MEO
国际搜救服务		B2b（下行）	3IGSO+24MEO
精密定位服务		B2b	3GEO
地基增强服务		移动通信实时播发、互联网事后下载	移动通信实时播发、互联网事后下载

GLONASS(GLO)

GLONASS 系统最早始于 1982 年前苏联时期，由于苏联解体曾一度停滞。近年来，俄罗斯重启并完成了该系统。GLONASS 系统已于 2011 年 10 月正式运行，提供全球定位服务。俄罗斯通过使用新型 GLONASS-K 卫星，发射与 GPS 和 Galileo 类似的信号，持续的对系统进行更新升级。

GLONASS 导航系统的空间段由 24 颗卫星组成 (与 GPS 类似)，分布在 3 个轨道平面上，每个轨道平面上有 8 颗卫星，卫星的轨道高度为 19,100 km，略低于 GPS 卫星。GLONASS 系统在高纬度区域 (接近南极、北极区域) 可以提供比 GPS 更好的覆盖，在俄罗斯和北欧地区的覆盖具有一定优势。目前， 24 颗卫星均在轨运行。当前 GLONASS 系统中，大部分卫星都是 2003 年开始部署的GLONASS-M 系列卫星。GLONASS 系统也在不断的更新中。最新的 GLONASS-K 卫星是在 2011 年发射，将提供其它类型的卫星信号。

新一代 GLONASS-K 卫星同时传输这种 FDMA 信号和最新的 CDMA 信号。 CDMA 信号与 GPS 和 Galileo 系统类似，不同卫星使用不同的测距码 (伪随机码)，在同一频率上传输信号。要使用新的 CDMA 信号提供定位服务，可能还需要几年的时间才能有足够数量的 GLONASS-K 卫星在轨运行。现在，所有 GLONASS 接收机都将继续使用 FDMA 信号⁴。

GALILEO(GAL)

当部署完成时，Galileo 导航系统的空间段将由 27 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成。卫星分布在 3 个轨道平面上，轨道高度为 23,222 km。每颗 Galileo 卫星都在 4 个不同的频点上传输信号:— E1 (1575.42 MHz)— E6 (1278.75 MHz)— E5a (1176.45 MHz)— E5b (1207.14 MHz)不同频点传输的信号结构和调制方式有着明显的不同。本应用指南主要关注消费类设备及应用，以下描述只针对 E1 开放服务 (OS) 信号。

Galileo 开放服务信号包括 E1b 数据通道和 E1c 引导信号通道，采用二进制偏移副载波调制技术 (CBOC) 调制方式。Galileo E1 频点和 GPS L1 频点传输频率相同。GPS 采用 BPSK 调制方式，频谱形状类似 sinc( x ) 函数，主瓣信号在中心频率附近。BOC 调制将能量扩散到 2 个旁瓣，而中心频率处为空值，从而将 GPS 信号的干扰降至最低。BOC 信号通常被称为 BOC( m,n ) 或 BOC ( fs,fc )，其中副载波频率 ( fs ) = m 1.023 MHz，扩频码速率 ( fc ) = n1.023 MHz。CBOC 采用窄带 BOC ( 1,1 ) 与宽带 BOC ( 6,1 ) 信号的组合，提供更好的抗多径性能。

卫星轨道类别

依照卫星轨道高度分类，卫星轨道有以下多种：

1、低地（球）轨道/近地（球）轨道（LEO：Low Earth Orbit ）

轨道高度约为400-2000公里；

绝大多数对地观测卫星、测地卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。

特别地，SPIRE星链为保障地面星链设备的信号强度，部分卫星的轨道高度在200~400公里之间——这类卫星也是LEO卫星。
2、中地球轨道（MEO：Middle Earth Orbit）

轨道高度为2000-36000公里之间；

GPS、GLONASS都属于此类轨道。
3、地球同步转移轨道（GTO：Geostationary Transfer Orbit ）（椭圆轨道）

指近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度（约36000公里）的椭圆轨道；

地球同步转移轨道为霍曼转移轨道的运用之一，为椭圆形轨道，经加速后可达地球静止轨道(GEO)。近地点多在1000公里以下，远地点则为地球静止轨道高度36000公里。

在火箭性能方面，常以地球同步转移轨道酬载能力作为指标，该酬载能力较直接运送至地球静止轨道的数值为大。
4、地球同步轨道（或称对地静止轨道）

轨道高度约为36000 km；

运行在地球同步轨道上的人造卫星，星距离地球的高度约为36000 km，卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道、运行周期与地球自转一周的时间相等，即23时56分4秒，卫星在轨道上的绕行速度约为3.1公里/秒，其运行角速度等于地球自转的角速度。在地球同步轨道上布设3颗通讯卫星，即可实现除两极外的全球通讯。

地球同步轨道分为3种：

（1）地球静止轨道（GEO：Geostationary Orbit）（正圆轨道）

当同步轨道卫星轨道面的倾角为零度，即卫星在地球赤道上空运行时，由于运行方向与地球自转方向相同，运行周期又与地球同步，因此，人们从地球上仰望卫星，仿佛悬挂在太空静止不动，所以，把零倾角的同步轨道称作静止轨道，在静止轨道上运行的卫星称作静止卫星。
（2）倾斜地球同步轨道（IGSO：Inclined Geosynchronous Orbit ）：

倾斜同步轨道(IGSO)是指倾角不为0的地球同步轨道,其星下点轨迹是一个跨南北半球的 “8”字,其星下点轨迹与赤道相交于一点,该点常称之为交叉点。
（3）极地轨道同步轨道，又叫太阳同步轨道（SSO：Sun-synchronous Orbit ）

卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道倾角（轨道平面与赤道平面的夹角）接近90度。人造卫星运行时能到达南北极区上空，即卫星能飞经全球范围的上空。需要在全球范围内进行观测和应用的气象卫星、导航卫星、地球资源卫星等都采用这种轨道。倾斜轨道和极地轨道同步卫星从地球上看是移动的，但却每天可以经过特定的地区，因此，通常用于科研、气象或军事情报的搜集，以及两极地区和高纬度地区的通信。

天津大学一号卫星

天津大学一号卫星(NORAD Catalog Number:49814)上搭载载荷：GNSS掩星探测载荷、长波红外相机载荷。

GNSS掩星测量是利用地球轨道上“GNSS导航星座—地球—LEO卫星”之间发生的掩星现象进行地球电离层与大气测量的气象遥感技术。

天津大学一号探测空间范围从海面及陆地表面到500km，可实现0~500km垂直观测，获取相关中性大气和电离层掩星相关环境参数。

GNSS电离层掩星产品可探测60km~500km高度范围内校正总电子含量和电子密度廓线参数。

轨道设计

天津大学一号卫星处于高度500km、倾角97.4°的太阳同步轨道上，重访周期为5天。两行根数如下：

TJU#-1                
1 49814U 21117C   22304.86765259  .00030376  00000+0  93312-3 0  9996
2 49814  97.3722  19.9660 0011633 195.7653 276.0116 15.33596154 50199

下图是天津大学一号卫星实测导航卫星数据进行精密定轨后，一天内卫星星下点的地理分布。

2022年11月1日天津大学一号卫星与BDS的C20，M3可视情况仿真过程如下所示（STK模拟）。

天津大学一号卫星与BDS的C20，M3可视情况仿真过程.(Recorded & Edited By Mapoet via STK.)

STK软件介绍及使用入门

（STK）是一款美国的AGI公司推出的在航天领域处于领先地位的商业分析软件，能够支持航天任务的全过程，包括设计、测试、发射等等任务，对于一些航空航天，卫星载荷与数据处理大学的学生来说，这款软件是非常有必要的，不管是日常上课学习，还是以后工作都将接触这款软件。

它提供分析引擎用于计算数据、并且可以显示多种形式的二维地图，现实卫星和其他对象，如运载火箭，导弹，飞机等等。你可以利用该进行卫星时刻位置的分析，也可以生成卫星的轨道便于对卫星运行了解，帮助用户进行地球同步轨道、近地轨道等卫星分析。目前AGI已经在中国停运了相关软件，目前商业版最新的是6.0。本内容仅做教学用途，建议学习之后卸载删除。

下面分享与介绍STK软件安装方式及STK在天津大学一号卫星初步分析的内容。

上述内容参考了STK安装教程及STK软件使用方法。

http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4599.html↩
http://www.beidou.gov.cn/xt/gfxz/↩
http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4599.html↩
https://www.zhihu.com/question/20903715/answer/2008371511↩