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GPS卫星的姿态确定与控制：稳定化、轨道插入及运行控制

机制

OliullahSamir∗

TheUniversityofTexasatArlington,Arlington,TX76019

全球定位系统（GPS）卫星对于提供全球精确的导航和计时信息至关重要。这些卫

星在中地球轨道（MEO）运行，必须保持精确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，并引用了最近的技术文献。

本I.命名法

译

中=Earth’sgravitationalparameter

=SemiMajorAxis

3

v=effectiveexhaustvelocityoftherocket

0=RadiusofEarth

6

6=satellite’sinertiamatrix

1

0=satellite’sAngularVelocityVector

.

8=ExternalTorque

0ˆ=EstimatedState

5

2=KalmanGain

:

v=MeasuredOutput

i

x=ObservationMatrix

r

a

II.介绍

全球定位系统（GPS）是由美国国防部开发的基于卫星的无线电导航系统，最初构想于20世纪70

T年代，并于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

个轨道平面中，每个轨道面倾角约为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]。这些轨道参数允许每颗卫星大约用11小时58分钟完成一次轨道飞行，从而实现全球连续且

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。这种布置确保在地球

上的任何一点始终至少有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

星传输一个包含其星历数据、星历表信息和与机载原子钟同步的高度准确的时间戳的独特信号[4]。该

系统通过三大组成部分进行管理：空间段（卫星）、控制段（地面监控和更新）以及用户段（民用和军

用接收器）。

∗PhDStudent,DepartmentofMechanicalandAerospaceEngineering,TheUniversityofTexasatArlington,Arlington,TX76019.

1

图1简化后的GPS卫星星座图（可扩展的24个插槽配置）。卫星分布在六个轨道平面上（灰色圆形

轨道），每个平面倾角约为55°至赤道，每平面上有四颗主要卫星。这种几何结构确保了从地球上任何

位置都能看到至少四颗卫星，从而实现全球覆盖。

GPS的实用性远远超出了导航范围。它对于电力电网、移动通信网络和金融系统的时钟同步至关

重要。在航空、海洋导航、自动驾驶汽车、精准农业、测量和地球科学应用中也发挥着关键作用。在大

气科学中，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的基础原理激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