北斗混合星座DOP值與定位性能分析

王鵬旭,呂志偉

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450001;2.北斗導航應用技術河南省協同創新中心,鄭州 450001)

北斗混合星座DOP值與定位性能分析

王鵬旭1,2,呂志偉1,2

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450001;2.北斗導航應用技術河南省協同創新中心,鄭州 450001)

區別于其他衛星導航系統,北斗衛星導航系統由于增加了GEO與IGSO兩種衛星構成了混合星座,這兩種衛星在設計覆蓋區域均具有較高的衛星利用率,能夠對亞太地區導航和定位進行加強,這也符合我國北斗從區域走向全球的發展實際。但GEO、IGSO為高軌道衛星,且GEO衛星軌道分布比較特殊,會對星座幾何構型及衛地空間構型產生影響,利用STK(Satellite Tool Kit)仿真出單GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO等幾種星座,在中國各個地方建立地面站,得到不同地面站在不同時段的精度因子(DOP)值,從而對幾種星座的區域定位性能以及不同衛星對衛地空間構型的影響進行分析。

混合星座;精度因子(DOP);區域衛星導航系統;STK

0 引 言

遵循“先區域、后全球”的總體思路,我國北斗衛星導航系統按“三步走”的發展規劃穩步有序推進,2012年10月份完成區域衛星導航系統的衛星組網,在同年12月份正式公布對亞太地區提供衛星導航定位服務,系統的空間段當時已由5顆GEO衛星,5顆IGSO衛星(其中2顆為備用),4顆MEO衛星構成[1]。由于GEO衛星的相對靜止分布特性,可滿足某一區域全天候覆蓋的要求,因此國際上也普遍采用在原有衛星資源的基礎上利用GEO衛星或GEO與IGSO衛星相結合的方式建立了各種區域增強系統,如美國的廣域增強系統(WAAS),便是在原有GPS衛星的基礎上增加幾顆GEO衛星構成了一個星基型廣域差分GPS;歐洲的地球靜止導航重疊服務(EGNOS)通過發射幾顆GEO衛星來增強GPS/GLONASS兩個衛星導航系統的定位精度,以提高用戶定位導航性能;此外還有日本的多功能衛星增強系統(MSAS)等[2]。但是GEO、IGSO為高軌衛星,且GEO衛星分布大致在一條圓形軌道上,對比其他純MEO星座的衛星導航系統,會對星座幾何構型及衛地空間構型產生影響[3]。本文利用STK軟件仿真出幾種星座組合,求出不同地面站各個時段的DOP值,從而對北斗混合星座的區域定位性能以及不同衛星對衛地空間構型的影響進行分析。

美國AGI公司開發的STK軟件是航天領域中先進的系統仿真分析軟件,在世界航天工業界具有較高的知名度。STK主要用于分析復雜的陸地、海洋、航空及航天任務。它可提供逼真的三維可視化動態場景以及精確的圖表、報告等多種分析結果,支持衛星壽命的全過程,是一個快速了解空間飛行任務中多學科交叉內容十分強大而靈活的軟件工具[4]。本文采用STK9.2.1作為仿真工具。

1 精度因子(DOP)

(1)

定義權逆陣Qxx=(ATA)-1,則可以得到精度因子為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中,GDOP表示用戶與可見衛星空間幾何分布的好壞,與用戶與衛星構成的空間多面體的體積成反比關系。

2 觀測站的建立及STK覆蓋分析

為了詳細分析北斗混合星座區域衛星導航系統的定位性能,本文首先利用STK仿真出北斗區域導航系統星座,再選取幾個地面站,利用STK覆蓋分析功能求取各時段各地面站的GDOP值進行分析。

2.1 觀測站的建立

在中國全境從南到北選取了三亞、長沙、西安、烏魯木齊、漠河共5個測站,基本代表了中國全境,其概略坐標如表1所示。

表1 國內5個觀測站的經緯度

2.2 STK覆蓋分析

STK共提供了三種方法建立衛星對象:一是直接從該軟件數據庫里加載衛星對象;二是利用STK里面的Orbit Wizard(軌道向導)輸入軌道參數建立衛星對象;三是通過下載北美防空司令部的兩行星歷數據(TLE)格式導入。本文采用第三種方法通過下載兩行星歷數據構建衛星對象。

利用STK軟件的覆蓋分析模塊里面Coverage Definition和Figure of Merit功能可以定義覆蓋范圍和評估覆蓋資源的覆蓋品質參數,本文定義的覆蓋范圍為全球(Global),覆蓋品質參數(FOM)選DOP,可以得到某一時刻的GDOP分布渲染圖,也可以得到設定時間段內各歷元GDOP值及圖表并輸出。

3 混合星座定位性能分析

以GEO衛星為參照,構建單GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO共4種星座,分別仿真出設定時間段內(本文為下載的2015年12月3日一整天的星歷數據)不同星座下區域GDOP分布圖及各地面站GDOP值,通過比較加入其它衛星之后對單GEO星座的定位性能的改善可以得出混合星座的定位性能(注:本文仿真衛星包括截止到2015.09.30第20顆北斗導航衛星發射升空后目前所有在正常在軌運行的5顆GEO,7顆IGSO及5顆MEO衛星)。

3.1 單GEO星座

根據星歷數據仿真出的純GEO星座以及某時刻的GDOP值分布圖,分別如圖1和圖2所示。

圖1 單GEO星座

圖2 單GEO星座某時刻GDOP值分布

把全部GEO衛星與各個測站分別關聯,可得到如表2所示的各測站一天內GDOP最大值,最小值及平均值。

表2 單GEO星座下各測站GDOP值

表中數據說明了兩個問題:一是GDOP值過大,就定位精度有效性而言不可用,也就是不能直接用于定位；二是GDOP值隨緯度變化呈現出規律,即隨緯度增大而增大,換言之低緯度精度高,高緯度精度低,從圖2也可以看出這種趨勢。

出現這種狀況的原因乃是GEO衛星大致分布于一條圓形軌道上,如圖1所示,衛星與地面站的空間幾何構型很差,所以不能直接用于定位。在我國北斗一代區域有源衛星導航系統中,對于這個問題的解決乃是通過地面站提供電子地圖高程值從而完成輔助定位。

3.2 GEO/IGSO混合星座

按照我國北斗衛星導航系統“三步走”的發展規劃,2010年8月1日,第一顆北斗IGSO衛星發射升空,標志著北斗二代區域衛星導航系統正式開始部署[3],如今已有7顆IGSO衛星發射升空并分布于傾角為55°的3個傾斜地球同步軌道上(2顆為備份衛星)。

根據星歷數據仿真出的GEO/IGSO混合星座以及某時刻的GDOP值分布圖,分別如圖3,圖4所示。

圖3 GEO/IGSO混合星座

圖4 GEO/IGSO混合星座某時刻GDOP值分布

同理,可得各測站一天內GDOP最大值,最小值及平均值,如表3所示。

表3 GEO/IGSO星座下各測站GDOP值

通過表3與表2比較可以發現:一是GDOP值大大改善,維持在正常水平(常見星座設計中GDOP不大于6)可直接用于定位。二是隨緯度的增大依然有增大趨勢,但變化幅度比較小,從圖4也可以看到這種趨勢。

加入IGSO衛星之后,GDOP值之所以會有較大的改善,文獻[1]在研究區域衛星導航星座方案時指出,IGSO衛星的星下點軌跡呈8字形分布,在設計覆蓋區內具有約80%的利用率,可大大改善衛星與地面站的空間幾何構型,與GEO組合是區域衛星導航系統比較理想的設計方案,也因此成為了我國北斗二代區域衛星導航系統的設計方案。

3.3 GEO/MEO混合星座

2012年以后,MEO不斷發射升空,截止本文下載軌道衛星數據時已有5顆MEO衛星分布于2個傾角為55°的的軌道平面上,標志著北斗導航系統加速全球布網,由區域走向全球的步伐正在逐步加快[3],根據星歷數據仿真出的GEO/MEO混合星座以及某時刻的GDOP值分布圖,如圖5,圖6所示。

圖5 GEO/MEO混合星座

圖6 GEO/MEO混合星座某時刻GDOP值分布

同理,把全部GEO/MEO衛星與各個測站分別關聯,可得到如下表所示各測站一天內GDOP最大值,最小值及平均值,如表4所示。

表4 GEO/MEO混合星座下各測站GDOP值

由表4可以發現以下幾個問題:一是GDOP值不穩定,波動區間較大,難以直接定位;二是GDOP值最小值均小于前面兩種星座。

之所以出現這種情況,乃是因為MEO是為全球定位系統部署的中高軌衛星,文獻[1]中也指出中高軌衛星(MEO)在設計覆蓋區的利用率比較低,約為37%,而目前北斗MEO衛星還處于部署階段,只有5顆在運行,目前單就MEO衛星而言,地面站最小可見衛星數目為0的情況也會經常出現,此時就變成了單GEO星座定位,即圖4中GDOP最大值出現的情況,但也有可見性比較好的時段,即表3中出現的情況。可以預估的是隨著未來北斗MEO衛星的陸續部署,衛星可見數也會大大改善,該種混合星座的定位性能會優于GEO/IGSO混合星座[6].

3.4 GEO/IGSO/MEO混合星座

相比其他定位系統,在原北斗導航試驗系統以及北斗二代區域衛星導航系統基礎上發展起來的北斗全球定位系統有其自身的特色,即增加了GEO與IGSO衛星可對亞太地區的導航和定位進行增強。

根據星歷數據仿真出的GEO/IGSO/MEO混合星座以及某時刻的GDOP值分布圖,如圖7、圖8所示。

圖7 GEO/IGSO/MEO混合星座

圖8 GEO/IGSO/MEO混合星座某時刻GDOP值分布圖

同理,把全部GEO/IGSO/MEO衛星與各個測站分別關聯,可得各測站一天內GDOP最大值,最小值及平均值,如表5所示。

表5 GEO/IGSO/MEO混合星座下各測站GDOP值

通過表5與表2、表3、表4對比后可以發現:一是GDOP值較小且維持在正常水平; 二是GDOP值隨緯度變化的趨勢已經不太明顯,從圖6中也可以看出來,說明當前的混合星座對亞太地區均能維持一個比較理想的定位精度。

4 結束語

本文利用STK仿真出北斗單GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO幾種混合星座,通過分析設定測站各時段GDOP值分布,得到了不同混合星座的區域定位性能以及不同衛星對衛地空間構型的影響。其中GEO/IGSO/MEO全星座定位性能最優,其次是GEO/MEO星座,再次是GEO/IGSO星座,最差的是單GEO星座。但就目前的衛星部署來說,GEO/MEO星座定位性能并不及GEO/IGSO星座。

就目前的北斗區域衛星導航定位系統而言,IGSO衛星對區域定位性能的的貢獻應該是最大的。隨著MEO衛星的不斷部署,北斗也將逐步由區域衛星導航定位系統過渡到全球導航定位系統,亞太區域的定位精度也將會得到進一步提升與改善。

[1]Chinese Satellite Navigation System Management Office. Beidou satellite navigation system development report (version 2.0)[R]. 2012.

[2]YANG Y X, LI J L, XU J Y. Contribution of the Compass Satellite Navigation System to global PNT users [J]. Chinese Science Bulletin,2011,56(26):34-56.

[3]許其鳳. 區域衛星導航系統的衛星星座[J]. 測繪工程,2001,10(1):1-5.

[4]楊穎, 王綺. STK 在計算機仿真中的應用[M]. 北京:國防工業出版社,2005.

[5]項軍華. 衛星星座構型控制與設計研究[D]. 長沙:國防科學技術大學,2007.

[6]王勝利, 王 慶. 北斗IGSO/GEO/MEO衛星聯合高精度定位方法[J]. 中國慣性技術學報,2013,21(6):662-669.

Mixed Beidou Constellation DOP Value and Positioning Performance Analysis

WANG Pengxu1,2,Lü Zhiwei1,2

(1.InstituteofNavigationandAerospaceTarget,UniversityofInformationEngineering,Zhengzhou450001,China;2.BeidouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China)

Different from other satellite navigation system, the beidou satellite navigation system due to the increased GEO and IGSO satellites form the hybrid constellation, because these two kinds of satellite coverage in the design region as high utilization rate of satellite navigation and positioning in the Asia-pacific region can be strengthened, which accords with the practice of the development of China's Beidou from regional to global. But GEO, IGSO especially GEO for high orbit satellite, and the peculiar of GEO orbit, the constellation effect on structure of geometry configuration and positioning model, in this paper, by using the STK(Satellite Tool Kit) simulation of single GEO, GEO/IGSO, GEO, MEO, such as GEO/IGSO/MEO constellation, in various parts of China to establish a ground station and get a different sites at different times of the Dilution of precision (DOP) value, thus for several element of regional positioning performance and the influence of different satellite on who to space configuration is analyzed.

Hybrid constellation; dilution of precision; regional satellite navigation system; STK

2016-07-02

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.002

P228.4

1008-9268(2016)06-0006-05

王鵬旭(1991-),男,碩士,主要從事網絡RTK與北斗三頻基線解算相關方面研究。

呂志偉(1974-),男,教授,主要從事網絡RTK、精密衛星定位等方面的教學與研究工作。

聯系人：王鵬旭 E-mail: 752971292@qq.com