IGSO/GEO衛星對北斗系統導航性能的貢獻分析

肖樂杰,孫付平,李亞萍,彭文生,蔡韌鳴

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001)

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IGSO/GEO衛星對北斗系統導航性能的貢獻分析

肖樂杰,孫付平,李亞萍,彭文生,蔡韌鳴

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001)

北斗衛星導航系統作為全球四大系統之中是唯一采用IGSO/GEO/MEO異構星座的導航系統。通過STK仿真分析IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座的衛星可見數、位置精度衰減因子和定位精度等指標,確定IGSO/GEO衛星在單站和全球情況下對北斗星座導航性能的影響,給出IGSO/GEO衛星對北斗導航性能增強的區域。這對IGSO/GEO衛星應用于導航系統起到一定理論支撐作用。

IGSO/GEO衛星;導航性能;衛星可見數;位置精度衰減因子;定位精度

0　引　言

我國設計建設的北斗衛星導航系統已經在中國及周邊區域提供導航定位服務[1]。按照“三步走”的發展戰略,到2020年,北斗全球衛星導航系統的異構星座將由5顆GEO衛星、3顆IGSO衛星、27顆MEO衛星構成,并提供全球PNT服務。現階段,北斗星座導航性能研究主要集中于區域或全球范圍內衛星可見數、位置精度衰減因子和定位精度等方面[2-7]。針對北斗星座中所特有的IGSO/GEO衛星的研究只是停留在定位分析層面,沒有涉及到其對北斗系統導航性能的貢獻分析[8]。基于此,本論文在仿真北斗IGSO/GEO/MEO異構式星座的基礎上對北斗IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座在單站和全球范圍內的衛星可見數、PDOP值和定位精度等性能指標進行詳細的模擬分析,進而以確定IGSO/GEO衛星對北斗星座性能的影響。

1　星座結構仿真

依據中國衛星導航系統管理辦公室所發布的《北斗衛星導航系統公開服務性能規范》中的數據進行仿真,星下點軌跡如圖1所示:5顆GEO衛星相對靜止在東南亞赤道上空;3顆IGSO的星下點軌跡形如“8”字形分布在中國大陸周邊上空;

虛線部分代表實現全球覆蓋的27顆MEO衛星。 從星下點軌跡圖可以看出:3顆IGSO衛星可使部分區域用戶擁有更多選擇。

圖1　星下點軌跡

2　對比分析

對導航星座而言,連續覆蓋指標用衛星可見數表示。而導航系統的空間構型指標可通過精度衰減因子(DOP)值和定位精度來描述。而本文以位置精度衰減因子(PDOP)為標準,將用戶所關心的位置定位精度表示為[9]:定位精度=UERE×PDOP, UERE為用戶等效距離誤差。等效距離誤差是根據導航衛星至接收機的路徑上的各種影響因素(例如電離層、對流層等)預測的偽距觀測值的變化值。

本文通過STK軟件仿真分析北斗IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座的衛星可見數、位置精度衰減因子PDOP值和定位精度來評估IGSO/GEO衛星對系統的貢獻。仿真時間為2015年3月30日04時—2015年3月31日04時;分析范圍為單站和全球兩種情況;采樣間隔為300 s;經緯度網格為2°×2°;衛星最低高度角為5°;在標準定位情況下MEO衛星、IGSO衛星的等效距離誤差UERE為7 m; GEO衛星的UERE值為11 m[10]。

2.1單點情況

根據對圖1的星下點軌跡的初步分析,選取單站做分析。參考站點選擇遵循以下原則:

1) 選取高中低緯地區站點,以便對比分析北斗IGSO/GEO衛星在高中低緯度地區的增強作用;

2) 選取兩個緯度大致相同經度差別較大的站點進行對比分析。

按照以上原則及圖1所示中IGSO/GEO衛星的星下點軌跡,選取亞太國家5個觀測站,Markov,San Francisco,Shijiazhuang,Singapore,Melbourne等觀測站點基本覆蓋了從南北半球的高中低緯度地區,San Francisco站和Shijiazhuang站緯度相近。站點位置如圖2所示,站點的具體位置如表1所示。

圖2　站點分布

表1　站點詳細分布

2.1.1衛星可見數對比分析

通過對比圖3的單站衛星可見數可以確定在MEO星座條件下,只有Markov站和Melbourne站平均衛星可見數目在10顆左右,其他5個觀測站的平均值都在8顆左右。在MEO星座加入IGSO/GEO衛星之后各站衛星可見數都有所增加,Markov、Singapore、Shijiazhuang、Melbourne站等位于西太平洋地區4站的平均衛星可見數達到15顆以上,增加50%以上。特別是Markov和Singapore兩站平均衛星可見數增幅分別達到了69%和112%。位于太平洋彼岸的San Francisco站平均衛星可見數由7.71增加為7.86,基本沒有變化,這也說明緯度接近Shijiazhuang站的衛星可見數目變化絕對變化值比San Francisco的大。這主要因為IGSO/GEO衛星沒有覆蓋到San Francisco站的區域。

圖3　站點衛星可見數 (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站　　　(d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

2.1.2PDOP值對比分析

根據圖4可以得到,在只有MEO導航衛星的情況下5個站點的PDOP平均值大致為1.8～2.0之間,且最大PDOP值都在2.50左右,最小值也在1.35左右,這種情況符合常規Walker24/3/1星座的性能要求。MEO星座加入IGSO/GEO衛星后各站PDOP值變化不一,位于西亞太的Markov、Shijiazhuang、Singapore、Melbourne的四站點的PDOP最小值、最大值、平均值都有一定程度的降低。平均值由1.9左右降低到1.3左右,減幅為32%左右;最大值由2.5左右降為1.5左右,減幅為40%左右;最小值由1.35左右降為1.1左右,減幅為19%左右。但San Francisco站點各項PDOP值基本沒有變化。這也說明了北斗IGSO/GEO衛星對改善北斗MEO衛星星座的空間結構有一定的積極作用,特別是對改善系統在西太平洋地區的星座空間結構有較大貢獻。

2.1.3定位精度對比分析

根據圖5可以得到,在只有MEO導航衛星的情況下5個站點的定位精度平均值大致9～13之間,且最小值也在6.50左右,且各站之間的差別不大,由于MEO衛星的低傾角原因,致使高緯度地區的Markov定位精度較低,平均定位精度只有14左右。MEO星座加入IGSO/GEO衛星后各站的定位精度變化并不一致,位于西亞太的Shijiazhuang、Singapore、Melbourne的3站點的定位精度平均值和最大值都有較大幅度的降低,也就是說站點的定位精準度有所提高。平均定位精度值由10左右提高為6.5左右,減幅為35%左右;最大值由13左右提高8.5左右,減幅為35%左右;最小值6.5左右提高為5.0左右,減幅為23%左右。值得注意的是Markov站的平均定位精度值由13.82提高為6.41,減幅為53%;其最大值由18.4提高為7.8,減幅為57.8%。反觀緯度與Shijiazhuang站點相近的San Francisco站點的定位精度基本沒有變化。這說明了IGSO/GEO衛星對改善MEO星座在西太平洋地區的定位精度有一定的作用,特別是對在接近北冰洋的高緯度有較強的改善效果。

圖4　站點的定位精度 (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站; (d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

圖5　站點的定位精度 (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站; (d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

2.2全球情況

2.2.1衛星可見數

通過圖6可以看出MEO導航衛星星座全球范圍內衛星可見數目(MEO星座全球范圍圖由于篇幅原因未給出,下同)在5顆～9顆之間,且分布均勻。加入IGSO/GEO后全球范圍內衛星可見數目在5顆～20顆之間,且明顯看出在中國大陸、東南亞、澳大利亞、俄羅斯高緯度等地區衛星可見數較多,達到15顆以上;其中中國大陸周邊區域的衛星可見數可以達到18顆以上,圖6示出了全球范圍內的衛星可見數,大幅度提高了上述這些地區北斗用戶的選擇范圍。

2.2.2PDOP值

通過圖7觀察北斗系統在全球范圍內MEO星座所提供的PDOP值和加入IGSO/GEO導航衛星后的圖像,MEO導航衛星星座全球范圍內PDOP值在1.40～1.70之間,且分布均勻。GEO/IGSO/MEO導航星座全球范圍內PDOP值在1.0～1.7之間,且明顯看出在中國大陸、東南亞、澳大利亞、俄羅斯高緯度等地區PDOP相較其他地區和北斗MEO導航衛星星座所能提供的數值更加理想。說明IGSO/GEO衛星的存在對上述地區的衛星空間結構有較大的改善。

圖6　全球范圍內的衛星可見數

圖7　全球范圍內的PDOP值

2.2.3定位精度

通過圖8中北斗MEO衛星星座所提供的定位精度和GEO/IGSO/MEO導航星座所提供的定位精度之間對比,MEO導航衛星星座全球范圍內定位精度在13～15 m之間,且分布均勻,不存在對中國大陸周邊的增強。GEO/IGSO/MEO衛星星座全球范圍內定位精度在9～15 m之間,且明顯看出在中國大陸、東南亞、澳大利亞、俄羅斯高緯度等地區定位精度相較其他地區和北斗MEO導航衛星星座所能提供的定位精度更加優越。這種分布情況與衛星可見數目和PDOP值得分布特點基本一致。

圖8　全球范圍內定位精度

3　結束語

通過單站和全球范圍對比分析IGSO/GEO衛星對北斗衛星導航系統的衛星可見數、PDOP值和定位精度等性能指標在中國大陸、東南亞、澳大利亞、俄羅斯高緯度等區域有較大范圍提高。也就是說在這些地區有IGSO/GEO衛星的加入使北斗系統的導航性能更加優越。

[1] 楊元喜.北斗衛星導航系統的發展、貢獻與挑戰[J].測繪學報,2010,39(1):1-5.

[2] 楊鑫春,李征航,吳云.北斗衛星導航系統的星座及XPL性能分析[J].測繪學報,2011(40):68-72.

[3] 楊元喜,李金龍,王愛兵,等.北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估[J].中國科學(地球科學),2014,44(1):72-81.

[4] 楊元喜,李金龍,徐君毅,等.中國北斗衛星系統對全球PNT 用戶的貢獻[J].科學通報,2011,56(21):1734-1740.

[5] 楊鑫春,徐必禮,胡楊.北斗衛星導航系統的星座性能分析[J].測繪科學,2013,38(2):8-12.

[6] 劉根友,郝曉光,陳曉峰,等.對我國二代衛星導航系統覆蓋范圍向北擴展星座方案的探討[J]. 大地測量與地球動力學,2007,27(5):115-118.

[7] 陳巖,陳暉,丁前軍.“北斗二號”衛星導航系統覆蓋仿真分析[J].通信技術,2009(6):171-173.

[8] SHI C, ZHAO Q, HU Z,etal. Precise relative positioning using real tracking data from COMPASS GEO and IGSO satellites.[J].GPS Solutions,2013(17):103-119.

[9] O'DONNELL M ，WATSON T,FISHER J. A study of Galileo performance-GPS interoperability and discriminators for urban and indoor environments[C]// Proceedings of the 15th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 2002), Oregon Convention Center Portland, 24-27, September 2002:2160-2172.

[10]KAPLAN E D, HEGARTY C T. GPS 原理與應用[M].寇艷紅譯.2版.北京：電子工業出版社，2012.

The Navigation Performance Analysis of IGSO/GEO Satellite for Beidou

XIAO Lejie,SUN Fuping,LI Yaping,PENG Wensheng,CAI Renming

(SchoolofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001，China)

BeiDou satellite navigation system is one of the world's four major systems which only use IGSO/GEO/MEO heterogeneous constellation. Index of number of visible satellites, PDOP and positioning accuracy about IGSO/GEO/MEO constellations and MEO constellations are analyzed with STK software in order to know the IGSO/GEO satellite impact on the BEIDOU constellation navigation performance at a single station and global situation. Beidou navigation performance enhancement area is given from the IGSO/GEO satellite. This is a certain theoretical support for the application of IGSO/GEO satellite in the navigation system.

IGSO/GEO satellite; navigation performance; number of visible satellites; PDOP; positioning accuracy

2015-12-10

國家自然科學基金(批準號:41374027)

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0016-05

肖樂杰(1991-),男,河南濮陽人,研究生,主要研究組合導航方向。

孫付平(1965-),男,河南人,博士生導師,主要研究方向組合導航、時空基準。

李亞萍(1989-),女,河南商丘人,研究生,主要研究時空基準。

彭文生(1985-),男,江西樂安人,研究生,主要研究組合導航方向。

蔡韌鳴(1993-),男,湖南株洲人,研究生,主要研究GNSS數據處理。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.004

聯系人： 肖樂杰 E-mail: xiaolejie6@163.com