“一帶一路”沿線及周邊地區BDS定位性能動態分析

徐煒,耿加偉,王濤,盧禮,杜文選

(安徽理工大學 測繪學院,安徽 淮南 232001)

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“一帶一路”沿線及周邊地區BDS定位性能動態分析

徐煒,耿加偉,王濤,盧禮,杜文選

(安徽理工大學 測繪學院,安徽 淮南 232001)

本文通過STK軟件對BDS全球組網時至當前的星座結構進行了動態仿真,確定了“一帶一路”沿線及周邊地區最小可見衛星數、GDOP值以及定位誤差的動態變化過程。結果表明,當前BDS已實現“一帶一路”沿線大部分地區的覆蓋,中國大陸、東南亞、南亞等地區的定位精度優于13 m,但北歐、東歐、西亞等小部分地區的定位精度仍有待提高;MEO衛星較GEO/IGSO衛星對“一帶一路”沿線及周邊地區定位精度的提升作用要大;同時發現,隨著可見衛星數的增加,GDOP值逐漸減小,但當可見衛星數達到一定值時,隨著可見衛星數的增加,GDOP值的減小幅度不明顯,說明單純增加可見衛星數有時并不完全能提高定位精度。

STK;“一帶一路”;最小可見衛星數;GDOP值;定位精度;動態變化

0 引 言

隨著“一帶一路”戰略的持續推進,我國與相關國家的經濟合作也將越來越密切,BDS對“一帶一路”沿線及周邊國家的覆蓋將會促進相關國家間的交流與合作。當前,我國設計建設的北斗衛星導航系統已經能夠在周邊區域提供導航定位服務,按照BDS“三步走”的發展戰略,計劃2018年面向“一帶一路”沿線及周邊國家提供基本服務,2020年完成35顆衛星發射組網,為全球用戶提供服務[1-3]。鑒于上述背景,本文通過STK軟件對BDS的衛星星座結果進行仿真,確定從BDS全球組網時每顆衛星的運行對在“一帶一路”沿線及周邊國家的定位性能的影響,為下一步BDS的持續組網和“一帶一路”的建設提供參考。

1 STK簡介

衛星工具箱(STK),是由美國AGI公司開發的一款在航天工業領域最為領先的商業化分析軟件,廣泛地應用于美國的航空機構,其主要功能包括; 計算衛星在任何時刻的位置和姿態,衛星或地面站遙感器的覆蓋區域;提供衛星軌道生成向導,建立常見軌道,如地球同步軌道、近地軌道等;計算空間對象間的訪問時間并在二維地圖窗口中動畫顯示,可以在對象間增加幾何約束條件(如可視范圍、最小仰角等)來進行細節上的仿真;顯示所有以時間為單位的信息,對任務場景變化等具備多窗口實時顯示能力;提供超過一百種的文字或圖表形式的報告信息,為自己關心的對象定制報告。

2 星座結構仿真

截止當前,BDS在軌衛星達到23顆,其中21顆能夠提供導航定位服務,包括6顆GEO衛星,7顆MEO衛星,8顆IGSO衛星。GEO衛星的軌道高度為35 786 km,6顆GEO衛星實現了對亞太地區的6重覆蓋[4]。IGSO衛星的軌道高度為35 786 km,軌道傾角為55°,該衛星克服了高緯度始終低仰角的問題。MEO衛星軌道高度為21 528 km,軌道傾角為55°.仿真BDS星座結構時,采用2016年9月2日的BDS衛星的TLE(Two Line El-ement)軌道星歷數據,將TLE數據與簡化常規攝動模型(SGP4)預報器一起使用。該模型考慮了地球扁率的長期和周期性影響,以及太陽、月亮的引力作用、重力場諧振影響和阻力模型下的軌道衰減,能夠對軌道周期小于225分的空間目標進行預測,求解出目標物體在任意時刻的位置和速度,仿真BDS星座的星下點軌跡圖如圖1所示[4]。

BDS衛星星下點軌跡分布在55°N-55°S之間,其中白色實線為MEO衛星的星下點軌跡,GEO衛星相對靜止于東南亞赤道上空,如“8”字形的是IGSO衛星的星下點軌跡,IGSO衛星分布于兩個不同的軌道面[5-6]。

3 仿真對比分析

仿真時間為2016年9月2日0時-2016年9月3日0時,共24 h,采樣間隔為300 s,按照3°×3°的分辨率劃分全球。設置截止衛星高度角為5°,并約束衛星天線輻射角度為46°,BDS三維星座仿真效果如圖2所示[9-10]。

通過STK對2015年3月至2016年9月的BDS衛星星座結構進行動態仿真,確定BDS系統在“一帶一路”沿線及周邊地區定位性能的變化情況,期間BDS衛星運行情況如表2所示。

表2 BDS衛星運行情況

3.1 定位性能評價指標

在進行絕對定位時,BDS的定位性能可以用最小可見衛星數目、空間幾何精度因子(DOP值)以及定位誤差來評價。

3.1.1 最小可見衛星數

可見衛星數反映了BDS衛星在全球范圍內能夠被觀測到的情況,若可見衛星數不能達到4顆,將不能實現導航定位服務,故取最小可見衛星數作為定位性能的評價指標之一。若最小可見衛星數≥4顆,那么說明在該區域能夠全天候實現定位,但若最小可見衛星數目<4顆,說明在某些時刻并不能實現定位。

3.1.2 精度衰減因子

精度衰減因子(DOP)由接收機位置和衛星的幾何形狀分布決定的,DOP值越小,代表的衛星的空間幾何分布越合理和較高的定位精度概率;DOP值越大,則代表衛星的空間幾何分布不合理與較低的定位精度概率。精度衰減因子包括幾何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、垂直精度因子(VDOP)和時間精度因子(TDOP),本文選取幾何精度因子(GDOP)作為定位性能評價指標之一。

3.1.3 定位誤差

在進行衛星導航定位時,定位誤差主要取決于接收機等效距離誤差與精度衰減因子(DOP),其關系可以用下式表示

δ=UERE×PDOP,

式中:δ為定位誤差;UERE為用戶等效距離誤差;PDOP為空間位置精度因子。等效距離誤差是根據衛星至接收機路徑上的各種影響因素預測出偽距觀測量變化值,BDS用戶等效距離誤差如表3所示[8]。

表3 BDS用戶等效距離誤差

3.2 “一帶一路”沿線主要城市定位性能動態分析

根據對BDS星下點軌跡的初步分析,在“一帶一路”沿線選出50個具有代表性的城市作為觀測站,觀測站位置分布如圖3所示。

選取第17～23顆衛星運行時的BDS星座結構進行仿真,對50個觀測站的最小可見衛星數、GDOP值以及定位精度進行動態覆蓋分析,仿真結果如圖4～圖7所示。

3.2.1 最小可見衛星數動態分析

從圖4可以知,當BDS只有17顆衛星運行時,布爾格萊德、布加勒斯特、布拉格、華沙、基輔、明斯克、首爾、伊斯坦布爾等地區的最小可見衛星數均<4顆,此時BDS并不能提供導航定位服務;而當BDS有20顆運行時,觀測站的可見衛星數均≥4顆,都可以實現定位,特別是第18、19、21顆MEO衛星的運行使得可見衛星的范圍大幅增加;當BDS有23顆衛星運行時,某些地區的最小可見衛星數目已經能夠達到15顆,最少也能觀測到6顆,BDS的定位性能得到了大幅提升。

3.2.2GDOP值動態分析

根據圖5、圖6可知,只有17顆BDS衛星運行時,部分觀測站的GDOP值出現了極大值,這時的可見衛星數<4顆,不能滿足導航定位的條件;第18、19、21顆MEO衛星的運行,使GDOP值大幅降低,但第20、22、23顆衛星的運行對GDOP值減小卻不明顯,說明MEO衛星增加了BDS的覆蓋范圍,從而使定位精度大幅度提高,而GEO/IGSO衛星對定位精度的提升則作用有限;當BDS有23顆衛星運行時,各觀測站的GDOP值處在3～6之間,某些觀測站的GDOP值優于3.0.同時注意到,第21顆、第22顆、第23顆衛星運行時,隨著可見衛星數的增加,GDOP值減小的卻不顯著,定位精度并沒有提高,說明單純增加可見衛星數有時并不能提高定位精度。

3.2.3 定位誤差動態分析

從圖7可知,隨著BDS衛星數目的增加,各觀測站的定位誤差逐漸減小,定位誤差與GDOP值的變化趨勢完全一致。當只有17顆BDS衛星運行時,某些觀測站的定位誤差出現了極大值,主要是可見衛星數不足4顆,不能進行定位。當第18顆、19顆BDS衛星運行時,上述觀測站的定位精度大幅度提高,其在于MEO的運行擴大了BDS的覆蓋范圍,各觀測站的可見衛星數得到了增加,已經能夠實現定位。第23顆BDS衛星運行時,所有測站的定位誤差都穩定在20 m左右,某些地區定位誤差優于15 m.但是,第20～23顆BDS衛星運行對定位精度的提升并不明顯,說明單純通過增加可見衛星數有時并不能提高定位精度。

3.3 “一帶一路”沿線定位性能動態分析

選取17～23顆衛星運行時的BDS星座結構進行仿真,對“一帶一路”沿線總體范圍內的最小可見衛星數、GDOP值以及定位誤差進行覆蓋分析。由于篇幅有限,僅將開始時的17顆衛星與當前23顆衛星星座結構的覆蓋情況展示出來,定位性能覆蓋情況如圖8～圖13所示。

3.3.1 可見衛星數對比分析

由圖8、圖9對比可知,隨著BDS衛星數目的增加,西亞與歐洲等地區的最小可見衛星數由3～4顆增長至7～8顆,中國大陸、東南亞、俄羅斯等地區的最小可見衛星數已經能夠達到15顆左右;BDS系統的覆蓋范圍得到了增加,但北歐、北非、南非部分地區的最小可見衛星數仍少于4顆,BDS還不能實現定位。

3.3.2GDOP值對比分析

由圖10、圖11對比可知,隨著BDS衛星數目的增加,“一帶一路”沿線的GDOP值都得到了相應的減小。其中,西亞、中亞、東歐與北歐小部分地區的GDOP值減小的最為明顯,由7.0～8.0減小到4.0～5.0,中國大陸、東南亞、俄羅斯等地區的GDOP值已經能夠達到3.0,但北歐部分地區的GDOP值仍然在9.0以上,定位效果并不理想。

3.3.3 定位精度對比分析

由圖12、圖13比較可知,BDS衛星的運行使得“一帶一路”沿線的定位誤差得到了大幅降低,定位誤差與GDOP值的變化基本保持一致;其中,北歐、東歐、西亞、中亞等地區的定位誤差由24 m以外降低至18～19 m,中國大陸、東南亞、南亞等地區的定位誤差能夠達到13 m以內;但部分北歐西部地區的定位誤差依仍然很大,隨著BDS衛星數量的持續增加,BDS系統將逐步實現“一帶一路”沿線及周邊地區的全覆蓋。

4 結束語

1) 通過對單觀測站定位性能的覆蓋分析發現,MEO衛星相比GEO/IGSO衛星的運行對“一帶一路”區域定位精度的提升作用要大;同時,隨著可見衛星數量的增加,GDOP值與定位誤差開始減小,但當可見衛星數量達一定值時,可見衛星數雖然增加,GDOP值和定位誤差降低的并不明顯,定位精度并沒有得到提高,說明單純通過增加觀測衛星數并不能完全提高定位精度;

2) 通過對“一帶一路”地區總體區域定位性能的覆蓋分析發現,隨著BDS衛星數量的增加,BDS的覆蓋范圍逐步增大,定位精度也逐漸提高,中國大陸、東南亞、南亞等地區的可見衛星數達15顆,GDOP值達4.0,定位誤差達13 m以內,北歐、東歐、西亞、中亞大部分地區已經能夠實現定位,定位誤差達18 m左右,BDS系統基本實現了對“一帶一路”沿線地區的覆蓋;

3) BDS已經能夠對“一帶一路”沿線及周邊提供導航定位服務,中國大陸、東南亞、南亞等地區的定位精度較好,但北歐、東歐、西亞部分地區的定位精度仍然較差,隨著BDS衛星的持續運行,BDS終將實現對“一帶一路”沿線及周邊地區的覆蓋。

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′The Belt and Road′ Surrounding Areas BDS Dynamic Positioning Performance Analysis

XU Wei,GENG Jiawei,WANG Tao,LU Li,DU Wenxuan

(SchoolofGeodesyandGeomatics,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

In this paper, uses STK software for BDS global network constellation structure to sign the current structure of the simulation, the dynamic changes of the areas along “The Belt and Road” minimum visible satellite number,GDOPvalue, and the positioning precision of the positioning performance. The results show that, BDS has been able to cover most areas of “The Belt and Road”, China, Southeast Asia, South Asia and other regions of the positioning accuracy is better than 13meter,but the accuracy of positioning in small parts of Northern Europe, Eastern Europe and West Asia has yet to be improved. The GEO satellite over the GEO/IGSO satellite of “The Belt and Road” surrounding areas along the role to the improvement of the positioning accuracy. In addition, with the increase of the number of visible satellites, the GDOP value decreased gradually, but when the visible satellite number reaches a certain value, with the increase of the number of visible satellites, the GDOP value decrease is not significant, that means increasing the number of visible satellites is not certain can improve the positioning accuracy.

STK; ′the Belt and Road′ ; least visible satellite; GDOP value; positioning accuracy; dynamic change

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.005

2016-09-28

國家自然科學基金(批準號:41474026)

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0022-07

徐煒 (1992-),男,安徽蕪湖人,碩士生,主要研究方向為GNSS導航與數據處理。

耿加偉 (1992-),男,安徽蚌埠人,碩士生,主要研究方向為GNSS車載導航與定位。

王濤 (1992-),男,安徽六安人,碩士生,主要研究方向為GNSS導航與數據處理。

盧禮 (1992-),男,安徽合肥人,碩士生,主要研究方向為,變形監測與數據處理。

杜文選 (1992-),男,安徽宿州人,碩士生,主要研究方向為GNSS導航與定位。

聯系人： 徐煒 E-mail:1157896096@qq.com