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GPS卫星的姿态确定与控制：稳定化、轨道插入和运行控制

机制

OliullahSamir∗

TheUniversityofTexasatArlington,Arlington,TX76019

全球定位系统（GPS）卫星对于在全球范围内提供精确的导航和时间信息至关重

要。这些卫星在中地球轨道（MEO）运行，必须保持精准的地面向位姿态以有效传输

信号。本文全面回顾了GPS卫星的操作动力学、姿态确定与控制系统（ADCS）以及轨

道插入技术。我们探讨了传感器和执行器的集成、控制算法、稳定策略以及部署这些卫

星所需的发射程序。讨论了与轨道力学和姿态控制相关的关键方程，并引用了近期的技

术文献。

本

译I.命名表

中

=Earth’sgravitationalparameter

2

v=SemiMajorAxis

0

6=effectiveexhaustvelocityoftherocket

6=RadiusofEarth

1

0=satellite’sinertiamatrix

.

8=satellite’sAngularVelocityVector

0

5=ExternalTorque

2ˆ=EstimatedState

:

v=KalmanGain

i

x=MeasuredOutput

r

a=ObservationMatrix

II.介绍

全球定位系统（GPS）是由美国国防部开发的一种基于卫星的无线电导航系统，最初构想于20世

T纪70年代，并在1995年宣布全面投入使用[1]。该星座由至少24颗活跃卫星组成，这些卫星分布

在六个轨道平面内，倾角约为55度，每颗卫星在中地球轨道（MEO）上以约20,200公里的高度运行

[2]。这些轨道参数使得每颗卫星大约能在11小时58分钟完成一次轨道运行，从而实现全球范围内的

连续和可重复的覆盖模式[3]。

图1展示了GPS星座的六平面配置，每个平面上有四颗卫星提供重叠覆盖。这种布局确保了在地

球上任意一点上任何时候都有至少四颗卫星位于地平线之上，这是实现精确三边测量所需的最少数量。

每颗卫星传输包含其星历数据、广播星历信息以及与机载原子钟同步的高精度时间戳[4]的独特信号。

∗PhDStudent,DepartmentofMechanicalandAerospaceEngineering,TheUniversityofTexasatArlington,Arlington,TX76019.

1

该系统通过三大组成部分进行管理：空间段（卫星）、控制段（地面监测和更新）和用户段（民用和军

用接收器）。

图1简化后的GPS卫星星座图（可扩展的24槽配置）。卫星占据六个轨道平面（灰色圆形轨道），每

个平面倾斜约55°至赤道，每个平面上有四颗主要卫星。这种几何结构确保了全球覆盖，并且地球上的

任何位置至少可以看到四颗卫星。

GPS的应用远超导航。它对于电力电网、移动通信网络和金融系统的时间同步至关重要。在航空、

海洋导航、自动驾驶车辆、精准农业、测量以及地球科学研究中也发挥着关键作用。在大气科学领域，

GPS信号被用于无线电掩星技术来推断大气中的温度、压力和湿度含量。

超越地球，GPS背后的基本原理启发了行星导航概念的发展。虽然火星目前缺乏专用的卫星导航

基础设施，未来火星探测任务设想部