中国空间科学技术杂志投稿格式参考范文：地月空间天基时空基准的构建与传递

　　摘要：地月空间正在逐渐成为人类太空探索活动的热点区域。高精度时间、空间基准的构建和传递是确保地月空间任务规划与实施的重要基础，既是地球时空基准的体系化拓展，也是提升地月空间时空信息保障水平的重要手段。随着 GNSS 系统的发展和稳定服务，地球区域时空基准设施相对完备。月球区域的导航系统与地球类似，国内外也提出了多种方案，但地月空间还包括地球、月球区域以外的区域，其时空基准实施的构建需要充分考虑空域大、动力学特殊等因素，在高效益实现时空信息服务的同时，将地球和月球的时空基准进行有机衔接。立足当前发展需求，开展了地月空间时空基准架构的设计，并针对地球、月球区域之外地月区域特点，研究并提出基于地月平动点的天基时空基准构建、溯源和传递方案，可支持实现地月空间时空基准信息服务，为地月空间时空基准的一体化构建与发展提供参考。

　　0 引言

　　地月空间通常是指地球大气以外延伸至月球轨道的宇宙空间，其中包括地月拉格朗日点。随着人类月球和深空探测活动的不断深入开展，地月空间正在逐渐成为人类太空探索活动的热点空间区域，地月空间基础设施的论证建设也成为各国争相发展的战略领域。其中时空基准是精确描述地月空间活动、保障多方同步联动的基础框架，更是保障任务实施、激发探索需求的重要手段。

　　近年来随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)的发展建设与运行服务，地球区域实现了时空基准的高精度构建与维持，有效支持了地表全球及近地空间用户确定连续精确的三维位置、三维运动和时间。当前，中国的北斗系统与美国 GPS、俄罗斯 GLONASS、欧洲 Galileo 作为 4 个独立建设与运行的全球卫星导航系统，协同为地球区域用户提供高精度的时空信息服务。月球区域当前主要通过地球站或星座支持相关探测任务的时空信息服务，完成用户的测定轨和时间同步服务，轨道确定精度一般在千米量级。随着月球探测任务区域跨度、协同精度及用户数量的增加，时空信息的需求将逐步增加。环月区域可以参考近地 GNSS 系统的组成和运行模式，建设月球导航系统(LNSS)构建高精度时空基准。国内外进行了广泛的方案设计论证，可实现全月覆盖的时空信息服务。除地球区域和月球区域之外的地月区域，包含地月拉格朗日点周边，其空域跨度巨大且动力学特性相对复杂，另外还存在用户相对稀疏且直接利用 GNSS 或 LNSS 的效益较低等特点，给时空基准的构建和传递带来了新的挑战。面向地月空间的发展和建设趋势，开展地月空间时空基准架构的一体化设计，重点针对地球、月球区域之外地月区域特点，研究并提出地月空间天基时空基准构建、溯源和传递方案，可实现高精度、高效益的时空信息服务，可作为地月空间时空基准的一体化构建与发展的参考。

　　1 地月空间时空基准架构

　　“统一的时空架构” 不等于 “统一的时空基准”。地月时空基准的一体化构建是要解决不同环境下的用户时空信息各自为政的问题，关键是保证各类用户所采用的不同时空基准间能精确转换，不同类型用户仍可以用方便自己使用的时空基准来描述空间和时间信息。地月空间时空基准一体化架构由地球区域、月球区域和地月区域的时间和空间基准组成，各自之间独立运行又有机衔接。

　　整体架构的内部采用高精度原子钟以及节点间的相互测量实现基准的建立与维持，外部可引入对恒星、射电源、脉冲星等目标的高精度观测，不断提升地月空间时空基准的长期高精度维持能力。

　　地球区域通过 GNSS 系统可实现高精度时空基准建立、维持与服务能力;月球区域通过建设环月导航星座系统同样可实现相应能力的时空信息服务;但在此之外的地月空域用户，特别是地月转移轨道用户，数量相对稀疏且分布空域较大，其对时空信息服务的需求可通过构建覆盖全域的时空基准基础设施，实现大空域高效益时空信息服务的同时，又是地月全空域一体化时空基准构建的重要组成部分。

　　2 地月天基时空基准的构建与溯源

　　天基时空基准的构建主要包括卫星星座设计、参考系优选定义、框架基准的构建与维持、框架基准的溯源等内容。

　　2.1 星座设计

　　地月区域天基时空基准的物理实现主要通过在地月空间内相对稳定的位置部署导航卫星的方式实现。在地月空间内，地月系共线平动点、三角平动点的独特空间位置可以为卫星提供相对稳定的定点区域和大空域覆盖特性，可通过部署地月平动点卫星星座实现地月全空域的时空基准构建。

　　地月平动点附近的有界轨道均可以为系统提供理想的目标工作轨道，不同工作轨道的组合构成的不同星座构型在覆盖性、可见性和链路特性等方面具有不同的性能表现，需根据性能要求不断优化。其中三角平动点具有俯瞰地月全域、轨道簇相对稳定的特殊优势，是一种高效益构建时空基准设施的理想途径，同时星座中也可通过增加地球或月球区域的卫星实现星座性能的提升。

　　2.2 时空基准参考系的优选

　　2.2.1 空间参考系的优选

　　地月空间有必要定义、建立、维持一套基本空间参考系，用于研究、描述地月空间范围内物体(主要是各种人造飞行器)的位置坐标、运动速度及几何关系。定义一个空间坐标参考系，必须明确地指出原点、尺度、定向三要素。参考系的定义或选择，应尽可能接驳现有的常用参考系，同时明确给出优选参考系与现有常用的参考系之间相互转换的方法和转换参数，继而将地月空间范围内包括地球、月球、地月区域在内的各类节点的几何关系联系起来。

　　目前常用的空间坐标参考系包括太阳系质心天球参考系、月心天球参考系、地心天球参考系(北斗坐标系 BDCS)、地球参考系(国际地球参考系 ITRS)、会合参考系等。其中地球区域使用的参考系相对较为成熟，如北斗卫星导航系统选取的北斗坐标系 BDCS，与其他参考系之间转换关系明确，便于在地固系下描述地球区域的用户位置;月球区域及月面可使用月心天球参考系，与其他参考系之间转换关系明确，便于站在月球视角描述月球区域的用户位置;地月区域的空间飞行器受到太阳系多天体引力场作用，需要考虑太阳系大天体动力学应用描述的便利性，同时兼顾地球用户地心坐标系应用的习惯，将太阳系质心天球参考系平移到地心，构建以地心为原点的地心 - 太阳系质心天球参考系，简称为 EBCRS。

　　2.2.2 时间参考系的优选

　　时间基准为事件发生时刻和持续时间提供统一时间参考，通常表现为时间尺度。时间基准参考系的定义或选择，同样应尽可能接驳现有的常用参考系，同时相互转换方法和转换参数成熟、简单。

　　目前常用的时间参考系包括北斗时(BDT)、地球时(TT)、原子时(TAI)、太阳系质心力学时(TDB)等。地月区域中为与优选的空间参考系地心 - 太阳系质心天球参考系(EBCRS)相匹配，时间坐标系优选与坐标框架相统一的太阳系质心力学时(TDB);地球区域使用的参考系相对较为成熟，如北斗卫星导航系统使用的北斗时(BDT)，与其他时间参考系之间具备明确的转换关系;受限于应用需求，月球区域精确的时间参考系尚在研究构建中，在当前时空基准的构建中为便于一体化表述和计算，可保持与地月空间 TDB 一致的时间坐标系，而在人类日常应用场景中，需转换为与地球常用的北斗时、协调时(UTC)等时间系统。

　　2.3 时空基准的构建与维持

　　2.3.1 空间基准的构建与维持

　　在地月空间中，飞行器受三体扰动的情况提供了足够的动力学不对称性，采用 K.Hill 等提出的 LiAISON(linked autonomous interplanetary satellite orbit navigation)自主定轨方案，引入足够的动力学差异，显著改善两颗卫星的状态转移矩阵相关性，使定轨的法化矩阵可求逆，仅利用星间测量即可实现自主定轨。地月平动点导航系统空间基准的建立与维持，是以星座卫星作为系统空间基准参考点，利用地月系引力场特征，通过星间链路测量及集中式批处理的方式，自主确定卫星在地心 - 太阳系质心天球坐标系(E-BCRS)中的位置、速度，实现空间基准的建立和维持。在条件允许的情况下，通过与地面基准站或北斗系统定期建立测量链路，将地面基准站或北斗系统的测量数据加入组合进行动力学定轨，提高定轨性能的同时，辅助实现动力学模型的精化。

　　在基准卫星精密定轨的过程中，主要需要考虑精确力模型的建立以及观测量的系统误差修正。精确力模型的建立主要包括所有作用于卫星的力精确模型化，包括天体引力场模型、地月及行星历表以及太阳光压模型等;观测量的系统误差修正主要包括卫星天线相位中心等。这其中相关的天体引力场模型、地月及行星历表等均有高精度的成熟模型产品可供应用，卫星天线的相位中心等测量系统误差也可以通过标定计算进行矢量修正，但太阳光压参数与卫星布局设计、轨道位置、姿态相关，其误差的在轨积累会影响卫星长弧定轨过程中的精度提升。以三角平动点 + DRO 卫星的四星星座、光压模型误差为 10% 为例，仿真了卫星两两测量建链情况下，不解算光压参数和解算光压参数导致的定轨误差情况，对比发现，在定轨的同时解算光压参数可提高基准卫星的定轨精度至优于 20m。

　　此外，地月空间飞行器可配置空间 VLBI 设备，与现有地基 VLBI 设备组成超远距离的观测基线，将观测基线长度从地基的千千米提升至地 - 空 10 万千米级别，分辨率提升 2 个数量级，支撑地月系统空间基准向 ICRF 坐标框架对准，实现定向精度迈向微角秒量级，支持地月卫星的亚米级位置确定。

　　2.3.2 时间基准的构建与维持

　　时间基准建立和维持是利用卫星配置的星载原子钟以及测量链路，通过星座内部以及与北斗 / 月球导航星座、地面测控系统的时间比对和传递，实现地月卫星星座维持时间的高精度建立和长期维持。为了提升时间基准的稳健性，地月卫星星座需具备星座分布式守时能力，即利用多颗卫星配置的原子钟和星间测量链路实现系统内统一时间的长期自主维持，同时支持天基脉冲星计时卫星的接入，通过驾驭算法进一步延长自主守时时间。

　　对地月时间维持的典型场景进行仿真，卫星配置原子钟，星间建立双向测量链路(测量精度 1m)，采用高精度钟差归算等方法，利用星座分布式守时算法，星座卫星间的时间自主维持同步精度优于 0.3ns。将最初时刻的偏差设置为 0 参考，由于星座原子钟长时间自主维持下存在频率漂移，随着时间增加地月星座时间与北斗时间将出现偏差并逐渐增大，因此有必要将地月时间基准溯源至已有的高精度应用基准，如北斗系统或地面系统，实现时空基准一体化运行维持。

　　在极端条件下，系统可能不具备向北斗星座或地面系统的溯源渠道，可通过脉冲星观测设备或与脉冲星计时卫星建立传递链路的方式，引入脉冲星时对系统时间进行驾驭，从而在精度降级的条件下长期自主维持地月时。

　　2.4 时空基准的溯源

　　地月星座通过配置星载原子钟，构建高精度星间测量链路，采用高精度动力学建模，形成地月区域时空基准的建立与维持能力，通过建立与北斗卫星导航系统的测量链路，将时频和位置的坐标转换和比对，实现地月时空间基准与地球 / 月球高精度时空基准的溯源和对齐，面向地球应用为主则溯源至如 BDCS、BDT 的地球时空框架，面向月球应用为主可溯源至月球时空框架。

　　针对典型场景，对有北斗支持下地月星座 TDS 与北斗系统 BDT 的钟差进行了仿真分析，对比发现，溯源手段的引入对维持地月星座基准的稳定性、一致性以及可用性具有重要的作用。

　　3 地月空间天基时空基准服务

　　3.1 服务体制的优选

　　为确定用户空间位置，一般采用全球卫星导航系统的几何交汇原理或者航天测控系统的动力学定轨方式实现。直接利用部署在平动点位的导航卫星，采用几何交汇原理对用户进行定位，对典型星座进行仿真，其平均 PDOP 值超过 300，无法实现地月全域的高精度时空信息服务。

　　同时，结合地月区域用户稀疏的特点，可采用基于双向测量的动力学定轨体制，通过基准卫星与用户建立双向测量链路，并向用户播发基准卫星星历信息和动力学模型参数，用户采用长弧定轨的方式获取高精度时空信息服务。

　　用于卫星时空信息传递的星历参数表达方式不同。GLONASS 卫星导航系统用卫星位置、速度、加速度作为导航星历参数，其优点在于运控端算法简单，缺点是导航星历参数未能充分反映卫星轨道动力学特点，星历预报误差随时间衰减快，需要较短的星历更新周期方能保持精度。同时，用户为了获取高精度，需要进行动力学轨道积分以补偿卫星加速度计算误差。GPS、GALILEO、北斗等卫星导航系统，基于导航卫星轨道摄动运动特点，采用具有轨道根数背景的 16 参数或 18 参数星历形式。该星历克服了 GLONASS 星历预报误差大、更新周期短的缺点，运控端和用户端算法相对简单。

　　平动点星座系统轨道受动力学约束明显，通常没有严格封闭的分析解，具有不确定性，需要星历参数的表达不依赖平动点卫星轨道动力学特点，用户端采用高精度动力学模型和积分算法可得到高精度星历，同时需要播发的星历参数相对较少，链路压力小、用户收集快，因此星历表达采用位置、速度、加速度结合动力学模型参数的方式实现。

　　3.2 服务性能评估

　　在地月平动点位置部署基准卫星，通过上文的对空间基准和时间基准的仿真分析结果，基准卫星的空间基准可优于 20m，时间基准与北斗时的同步精度可优于 4ns。参考前期北斗和探月任务中星间测量精度和地月用户飞行器初轨误差，服务性能仿真场景中设置测量链路测距误差为 1m，用户采用典型的地月转移轨道，初轨误差为 10km。通过用户接收系统播发的基准卫星 G-BCRS 星历参数、行星历表以及与 BDCS(北斗坐标系)转换等参数，计算实现位置确定和时间同步服务。仿真结果显示，用户全弧段定轨精度优于 350m，初始阶段定轨误差有所增加，随着定轨弧长增加以及模型误差解算精度的提升，定轨精度逐步改善。

　　4 结论

　　本文在充分研究现有时空基准设施建设需求的基础上，充分结合地月空间不同区域特点，设计了地月空间时空基准一体化架构，并针对地球、月球区域之外地月区域特点，研究并提出了基于地月平动点的天基时空基准构建、维持和溯源方案，优选提出适用于地月空间的时空参考系，进行了用户服务体制的设计，并按所提方案进行了典型地月空间应用场景的性能仿真评估，可以作为一种可选的地月空间大空域时空基准构建的方案。

　　地月空间时空基准构建以及相应导航系统的建设，将会是地月空间基础设施建设的重要战略领域，是充分利用开发地月空间资源的有力保障。随着后续月球探测及深空任务不断提出新的规划和需求，以及我国综合定位、导航、授时服务体系的建设与发展，应充分利用各领域已有的技术和设施优势，加强顶层统筹和体系谋划，统筹地月空间及深空探测相关基础设施的有效延伸和高效建设。

周会超;郑晋军;王海红;毕少筠,中国空间技术研究院,202403