全球廣義定位報告系統星座配置分析

● 文| 北京衛星導航中心 薛峰 任暉 汪淼

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全球廣義定位報告系統星座配置分析

● 文| 北京衛星導航中心 薛峰 任暉 汪淼

摘要：隨著我國導航系統的快速發展，全球范圍內定位報告、短報文通信的需求進一步擴大。本文針對全球廣義定位報告系統星座設計方案，通過對不同軌道平面、衛星數量信號覆蓋情況進行仿真，進而得出相關結論。結果表明，廣義定位報告系統采用3顆靜止軌道衛星、3顆傾斜軌道衛星和24顆合理配置的中圓軌道衛星，可以在全球范圍內提供45°以上仰角的位置報告服務，可用性接近99%。

關鍵詞：廣義定位報告系統 觀測仰角 星座配置

一、概述

北斗衛星導航系統（Beidou Navigation Satellite System，BDS）是真正意義上的導航定位報告系統。該系統采用衛星無線電導航定位報告體制（Radio Determination Satellite System，RDSS），即基于衛星無線電測量實現衛星無線電導航、定位報告和短報文通信等業務。與“GPS定位＋銥星全球移動通信”相比，具有性價比高，位置報告簡單、自主、安全、快速，雙業務融合等諸多優勢[1]。傳統定位報告業務的空間段由地球靜止軌道衛星( GEO )組成，廣義定位報告業務的空間段可以是任意衛星，即非GEO（NGEO）組成，幾何原理均為三球交匯位置確定原理，傳統的定位報告業務是廣義定位報告業務的子集。

本文扼要論述了RDSS的理論基礎，并針對未來全球廣義定位報告業務衛星配置方案進行仿真分析，提出滿足45°仰角要求的配置方案。

二、 RDSS定位報告原理

1．傳統定位報告原理

傳統雙星定位報告由兩顆定位報告衛星（RDSS）、用戶設備（UE）、中心處理系統（MCC）組成的閉環測量鏈路及通信信道實現用戶定位及位置報告[1]。雙星定位報告原理如圖1所示，兩顆衛星均為無線電定位（RDSS）衛星，RDSS衛星的有效載荷為出站、入站變頻轉發器。

圖1　雙星定位報告原理

工作過程具體如下：

1）MCC以本地北斗時（BDT）同步產生出站詢問信號；

2）RDSS衛星連續轉發MCC的問詢和測量信號；

3）UE測量兩顆RDSS衛星信號的時差值，在RDSS衛星的指定時刻發射入站信號，并將時差測量值傳回MCC；

4）MCC根據用戶設備的入站信號，獲得MCC→RDSS衛星→UE的雙向距離和兩顆RDSS衛星信號的時差值；

5）利用雙向距離完成用戶雙向定時，確定用戶鐘差；基本原理為雙向衛星中繼無線電偽距同步，是利用GEO衛星轉發器實現地球站間時間同步的方法[2]；

6）利用鐘差修正用戶觀測偽距；

7）電離層誤差直接使用格網數據進行電離層修正，或利用回傳的所有可見星觀測數據，計算用戶對可見星的穿刺點，解算不同穿刺點的電離層延遲，進而可內插出用戶的電離層延遲；

8）根據地理高程庫查得UE所在點大地高；

9）MCC根據修正后偽距和高程值組成用戶三維位置的解算方程組，通過查圖迭代計算實現用戶定位及位置報告。

2．廣義定位報告原理

廣義定位報告系統實質上是一個多參考站距離測量無線電定位系統[2]。在傳統雙星定位報告的基礎上，增加了一顆衛星無線電導航（RNSS）衛星，通過增加一個時差觀測量增加一個方程，從而減少了依托高程庫查圖的計算流程，有效提高了定位報告的服務區范圍和實時性。

3．廣義定位報告用戶終端原理

定位報告用戶終端在本地鐘控制下實時采集所有可視導航衛星的RNSS信號，從而測得各衛星的偽距、載波相位等觀測量，同時接收和響應定位報告衛星的詢問信號，將測量得到的各衛星RNSS偽距、載波相位、偏心改正等信息通過定位報告系統入站鏈路傳送給業務處理系統。可通過出站鏈路實時接收定位結果，并在顯示屏上顯示或通過串口輸出[3]。

用戶終端主要可以劃分為天線模塊、信道模塊、基帶信號處理模塊、信息處理模塊、人機交互控制和整機結構等幾部分，具體組成框圖如圖2所示。

三、全球廣義定位報告系統星座配置方案分析

目前定位報告系統在GEO衛星上搭載有效載荷，僅能滿足中國及周邊地區用戶需求。要實現全球定位報告服務，需要增加配置RDSS載荷的衛星數量，從目前的GEO星座向GEO+NGEO星座擴展，即必須在移動衛星上加裝RDSS載荷，并利用廣義定位報告技術體制和星間鏈路進行數據交換。

用戶機可以對可視范圍內5°以上仰角的所有導航衛星信號進行觀測，而定位報告服務只在具備該載荷的衛星覆蓋范圍內才能獲取服務，由于遮擋等原因城市區域對觀測仰角要求較高，因此需要針對不同的衛星配置方案開展觀測仰角分析，得到最高仰角的星座配置方案。從用戶實際使用角度考慮，45°仰角基本能夠確保一般使用環境下的可視要求。

目前全球導航系統全部采用Walker星座構型，其中GLONASS、Galileo采用Walker 24/3/1，GPS采用Walker 24/6/1，下面針對幾種不同的Walker星座配置方案開展分析。

1．Walker X/3/1星座分析

設定衛星星座配置分別為Walker24/3/1、Walker27/3/1、Walker30/3/1和Walker33/3/1，第一軌道面升交點赤經為0°。采用仿真軟件開展全球區域覆蓋分析，設置滿足條件為計算的最高仰角大于等于45°，星座構成如圖3所示。

表1　不同衛星數45°仰角滿足情況

由表1可見，27顆衛星是Walker X/3/1星座中滿足全球服務區高仰角的最佳配置，更多和更少的Walker X/3/1衛星構型均無法改善衛星觀測仰角，此時在全球服務區內可以確保43°的觀測仰角。該方案與北斗全球系統北斗星座5顆GEO衛星的軌道位置分別為58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E，3顆IGSO的傾角為55°，交叉點經度為118°E[4]的方案是匹配的。

2． Walker X/4/1星座分析

Walker 24/4/1星座構成如圖4所示。

圖4　試算RDSS業務星座構成

由表2可見，32顆衛星是Walker 32/4/1星座中滿足全球服務區高仰角的最佳配置。

表2　不同衛星數45°仰角滿足情況

3． Walker X/5/1星座分析

Walker 25/5/1星座構成如圖5所示。

Walker X/5/1星座的覆蓋性結果如表3所示。

圖5　試算RDSS業務星座構成

表3　不同衛星數45°仰角滿足情況

由表3可見，30顆衛星是Walker 30/5/1星座中滿足全球服務區高仰角的最佳配置，可以100%滿足全球45°仰角觀測。

4． Walker X/6/1星座分析

Walker 24/6/1星座構成如圖6所示。

Walker X/6/1星座的覆蓋性結果如表4所示。

表4　不同衛星數45°仰角滿足情況

由表4可見，24顆衛星是Walker 24/6/1星座中滿足全球服務區高仰角的最佳配置，可以98.81%滿足全球45°仰角觀測。

圖6　試算RDSS業務星座構成

5．比較分析

通過以上不同軌道數量下計算分析，得到全球范圍24~25顆衛星和30顆衛星兩種衛星數量下最小45°仰角滿足情況，如圖7、8所示，統計結果詳見表5。

圖7　服務區內觀測仰角滿足情況

圖8　服務區內觀測仰角滿足情況

表5　不同軌道面不同衛星數45°仰角滿足情況

由表5可見，Walker星座軌道面越多覆蓋性越好，其中24~25顆衛星Walker 24/6/1星座最優，98.81%時段滿足要求；30顆衛星Walker30/5/1星座最優，100%時段滿足要求。

四、結束語

對于一般用戶接收設備，大于45°仰角可以放低對用戶設備天線的要求，因此，全球廣義定位報告業務可在3GEO+3IGSO+24MEO衛星上配置定位報告載荷，利用5~6個MEO衛星軌道平面滿足全球廣義定位報告系統45°仰角的觀測要求。但軌道面過多對維持星座代價較高，一般采用3個軌道面的星座構型，此時可以滿足43°仰角的觀測要求。

本文針對全球廣義定位報告業務可能的配置方案進行了探討，具體方案需要統籌各方面的要求綜合確定。

參考文獻

[1]譚述森，李琳．北斗系統導航定位報告體制與工程技術[J]．導航定位學報，2013，3：1-5.

[2]譚述森.導航衛星雙向偽距時間同步[J]．中國工程科學,2006，8(12)：70-75.

[3]譚述森．廣義衛星無線電定位報告原理及其應用價值[J]．測繪學報，2009，38（1）：1-5.

[4]楊元喜．中國北斗衛星導航系統對全球PNT用戶的貢獻[J]．中國科學，2011，21:1734-1740.