衛星定向主要指GNSS(全球導航衛星系統)定向，基於衛星載波相位信號差分測量原理，確定空間兩點所成幾何矢量在給定坐標系下的指向，以坐標北為方位基準，能夠同時得到定位結果。
衛星定向技術是由衛星導航定位派生出來的一項新技術，雖然發展時間不長， 但由於其具有成本低、精度高、小型化、全固態、實現簡單等優點，已在許多工程應 用領域嶄露頭角，並具備了廣闊的套用前景。
基本介紹
- 中文名：衛星定向技術
- 外文名：Satellite orientation technology
- 套用方向：導航定位
- 領域：航空航天
- 技術基礎：衛星導航定位
- 核心：GNSS定向
起源,發展歷程,幾種定向方法比較,套用領域,發展趨勢,
起源
衛星定向是基於衛星載波相位信號干涉測量原理，確定空間兩點所成幾何矢 量在給定坐標系下的指向。空間兩點一般是指兩個測量天線的物理相位中 坐標系可以選地心地固坐標系ECEF( Earth Centered Earth Fixed)、當地水平坐標 系或體坐標系。目前，常用的是當地水平坐標系，如北天東坐標系，此時根據基線 矢量可直接解算得到其相對於真北基準的方位角和相對於水平面的俯仰角。
衛星定向中的載波相干測量原理源於20世紀60年代末發展起來的甚長基線干涉測量技術VLBI( Very Long Baseline Interferome Iry)。VLBI 的基線往往長達幾十甚至上千公里。VLBI最初用於天體物理、天體測量和空間大地測量，由於其特有的超高空間解析度和定位精度，並能全天候、全天時被動觀測，問世不久就廣泛地套用於航天測控、精密時間比對等新的學科領域。
20 世紀 90 年代還發展了空間 VLBI-SVLBI(Space Very Long Baseline Inter-ferometry)或 0VLBI( Orbiting Very Long Baseline Interferometry)技術，觀測信號 相對天線均可視為平面波。衛星定向可看作按一定比例縮微了的利用人造天體載 波信號實施“VLBI”的套用分支之一。儘管相對VLBI而言，星站距離較近（中高軌 道衛星高度約幾萬公里），當基線長度僅為數十米至數百米量級時，多個天線對衛 星載波信號同步觀測仍可近似將其看作平面波。而且由於衛星定向無需VLBI那 么高的角度解析度(最高可達微角秒級），因此平面波的假設對於短基線衛星定向 而言引入的角度誤差是可以忽略的。
發展歷程
衛星定向技術是伴隨著全球定位系統GPS的發展而逐漸成為國內外衛星導 航相關領域的研究熱點，其發展歷程大致可分為三個階段。
第一階段:20世紀70年代末至80年代初，主要表現為衛星載波相位干涉測量思想的提出以及初步理論的形成。
在此期間，由於GPS空間星座尚未完善以及終端硬體開發緩慢且價格昂貴， 這方面的工作主要是進行仿真研究。早在GPS建設初期，Spinney1976年在ION 國家航天會議上首次提出利用GPS衛星載波相位測量確定載體姿態，被普遍認為 是衛星定姿定向思想的首創者。隨後Ellis與Greswell發展了以GPS作為信號 源的干涉定姿系統線性誤差模型，以此來估計太空飛行器的三軸姿態及陀螺的不對準 角與漂移.並給出了相應的數字仿真結果。幾年後，Greenspan等人闡明了利用 GPS載波相位進行精密測距的技術及其優勢,Brown等人提出將載波相位用於 方位確定，通過仿真表明經動態輔助的GPS干涉儀可達到50微弧的相對精度。 隨後，Joseph和Deem於1983年公布了利用靜態單基線接收機系統得到的實驗結果。
第二階段:從20世紀80年代中期至90年代中期。
隨著GPS空間系統的逐步完善和接收機技術的不斷發展，對GPS衛星定向相 關技術的研究也逐漸開展起來，此間重點在於衛星定向方法及關鍵技術的研究與 實驗驗證，特別是利用較高性價比GPS OEM(Original Equipment Manufacturer)接收板組建定姿定向系統的研究開發成為可能，並逐步發展為衛星導航領域中的一 個研究熱點。另外，精度與可靠性的不斷提高也成為關注的重點。
第三階段:20世紀90年代中期以後。主要表現為GPS定向技術逐步成熟，工程化套用日益普遍，並出現了多種商用GPS定向測姿產品；關鍵技術取得了一系列理論突破，與其他學科理論呈現交叉融合的趨勢。
幾種定向方法比較
不同的定向方法具有各自的技術特點和適用範圍。現從定向設備、起算數據、定向精度、外界影響因素等方面進行比較，結果如表 1 所示。
在表 1 所示的 5 種定向方法中，磁定向法是最方便的方法;但該方法受環境影響大，可靠性差，在很多場合難以使用。陀螺經緯儀定向法克服了磁定向法的缺點，它在緯度 75°範圍內能提供穩定的航向角;但超過該範圍，它的精度隨著地球旋轉軸的距離減小而降低。幾何定向法和天文定向法精度高;但是定向時間較長，效率較低，而且測量受環境氣候的因素影響大。衛星定向具有設備結構簡單、精度穩定、體積小和可靠性好等一系列優點。綜合比較 5 種常用的定向方法，衛星定向技術具有定向精度高、受環境影響小、成本相對低廉、能夠同時得到高精度的位置信息等優點，能較好地滿足大部分的軍事和民用的需求，是近二十年來套用範圍拓展較快的定向方法。
套用領域
衛星定向技術是由衛星導航定位派生出來的一項新技術，雖然發展時間不長， 但由於其具有成本低、精度高、小型化、全固態、實現簡單等優點，已在許多工程應 用領域嶄露頭角，並具備了廣闊的套用前景。
1、衛星快速尋北技術
利用GPS衛星定向技術可實現GPS羅盤，實時指示 北向信息。與傳統的套用地磁場的磁羅盤或敏感地球自轉角速度矢量水平分量的陀螺尋北儀相比，衛星羅盤具有以下顯著優勢：
(1)精度高，指示真北方位而非磁北；
(2) 不受地磁場及局部環境的影響，精度較為均勻；
(3) 無需重調時間；
(4) 成本低，維護費用低廉；
(5) 在靠近極地區域仍可提供可用的方向信息。 隨著衛星接收機系統的小型化，利用導航晶片、高性能天線組成各自車載、艦載、單兵攜帶型高精度衛星尋北裝置逐步成為現實。
2、輔助慣導系統快速初始對準
在無任何外部輔助手段的情況下，純慣性系統的導航精度主要取決於兩個方面:初始對準精度和慣性測量器件的精度。針對捷聯慣性系統而言，其初始化過程包括裝定初始速度和初始位置、捷聯平台（即數學平台）的初始對準、慣性儀表的測漂和標定。而初始方位對準，或稱為尋北過程，是慣導系統快速初始化的關 鍵技術。
衛星定向技術為慣性系統尋北提供了另外一種新的思路與途徑，利用衛星快速定向提供的真北方位信息傳遞給慣導系統，從而實現慣導系統的高精度方位快速初始對準，提高慣導系統反應能力。
3、變形監測
衛星定向技術能夠精確地確定空間兩點之間的矢量，精度可達毫米級，如果進 行持續觀測，則可以精確測定矢量兩端的相對三維運動情況，因此可以廣泛用於諸 如板塊運動、海洋河流水平面變化、局部地區的地殼形變、工程建築物（如大 壩、橋樑、廠房等）的變形滑坡崩塌、礦藏資源開採區的地面沉降、海上石油勘 探平台沉陷等的監測，而且具有觀測不受氣候條件限制、測站間無需通視、自動化程度高等優點。
4、輔助炮兵陣地聯測、戰略飛彈發射方位確定
炮兵陣地聯測是指測定觀察所、火炮位置（坐標、高程）和賦予火炮、觀測器材 的基準射向，它是炮兵偵察和射擊的重要準備工作。炮兵進行陣地聯測，通常以方向盤作為主要的指揮器材，方向盤首先通過磁北定向，然後通過當地的磁偏角修正 得到坐標北向。
將衛星定向技術套用於炮兵陣地聯測的最直接而簡單的方式，就是利用衛星 尋北取代方向盤中的磁針尋北。與指北針相比，衛星定向技術具有以下優點：
(1)定向精度高，如3m基線即可達到1mil(0.06°)的定向精度；
(2)不受地球磁場的影響，而磁針的指北精度因時因地而異；
(3)隨著定向精度的提高，通過測角測距來確定待定點坐標的精度也相應得 到提高。
5、衛星/INS組合航向確定技術
衛星導航系統與慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS)具有天然的互 補性，前者可以彌補後者導航精度隨工作時間發散的缺點，而後者的全自主性可以 增強前者抗干擾特性,彌補其數據更新率低的不足，並在衛星信號失鎖期間繼續輸 出導航數據，因此二者的組合可以大大提髙整個導航系統的精度與可靠性。對衛 星/INS的各種組合技術諸如松組合、緊組合以及深組合的研究也已經非常深入， 並得到了廣泛套用。
將衛星定向技術結合到衛星/INS組合之中，實時確定載體的航向信息，也有著較寬的套用領域，如無人機、無人偵察車、艦艇、巡航彈、巡航飛機等。利用慣導 的姿態信息可以加速衛星定向中的模糊度確定，以及衛星信號失鎖後的快速恢復， 並且慣導的速度信息也可以輔助衛星接收機內部碼環與載波跟蹤環實現對衛星信 號的快速捕獲，從而極大地提高系統的魯棒性。
發展趨勢
近年來國際上衛星定向技術仍在不斷發展，主要呈現 3 個趨勢:一是由原來的單純 GPS 定位定向轉變為 GNSS 定位定向;二是大力縮短定位定向的時間，實現滿足精度需求的快速定位定向;三是儀器的平台集成化及小型化改進。
