導航星座異構擴展對系統服務性能的影響

孫江艷,胡彩波,楊茂和,孫文龍

(北京衛星導航中心,北京 100094)

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導航星座異構擴展對系統服務性能的影響

孫江艷,胡彩波,楊茂和,孫文龍

(北京衛星導航中心,北京 100094)

本文分析“北斗”區域衛星導航系統目前所采用的三種衛星混合組網的星座現狀,通過設計擴展不同類型、不同數量的衛星,利用STK仿真軟件,對所選重點區域和擴展區域的重要服務性能,如幾何精度因子(GDOP)和可見衛星數量進行仿真,進而綜合得出不同導航星座異構擴展對系統服務性能的影響情況。分析結果表明, IGSO衛星對增強系統對區域服務性能的提高具備更好的條件。根據“一帶一路”非洲沿線國家重點城市的分布特點,進一步對星座異構擴展數量和在軌位置進行優化和改進,為有限條件下星座擴展實現服務性能最大化改善提供參考。

“一帶一路”;北斗衛星導航系統;STK;GDOP值;可見衛星數

0 引 言

“海上絲綢之路”是中國與沿線國家深化經貿合作、完善基礎設施、加強相互溝通、擴大文化交流的經貿合作之路[1],是新興經濟體合作與發展的重要戰略平臺[2]。建設“21世紀海上絲綢之路”是中國的重大戰略。2015年中國海外港口建設高潮迭起,從巴基斯坦瓜達爾港移交中國開始,吉布提港、也門亞丁港、斯里蘭卡科倫坡港等積極參與“一帶一路”沿線合作[3]。建設海上絲綢之路面臨諸多挑戰和風險,領土爭端、恐怖主義、自然災害、勞資糾紛等問題難以預判和控制。北斗導航系統作為增強武器效能、維護國家安全的根本命脈,正在積極增強系統建設,在國家“一帶一路”戰略中為海上絲綢之路保駕護航發揮至關重要的作用。因此,在2020年左右全球服務能力實現之前,對“一帶一路”沿線國家的區域服務能力亟待提高。

對于導航系統來說,影響其服務性能的關鍵指標包括精度、連續性、可用性、完好性、可靠性[4]。對于用戶的實際使用來說,涉及到用戶使用精度的是兩個指標,URE和DOP,其中URE是衛星空間信號精度,DOP值為精度因子代表星座構型,即用戶可視衛星的幾何布局,反映了由于觀測衛星與接收機空間幾何布局的影響造成的偽距誤差與用戶位置誤差間的比例系數,是評估用戶位置精度的重要指標。導航星座性能一直是星座設計者和導航用戶比較關注的問題,它對于軍/民用飛行器、信息化武器裝備等重要用戶平臺的安全性和使用有效性有著直接影響[5]。可視衛星幾何分布越好,DOP值就越小,而在同等用戶等效距離誤差下,DOP值越小,代表星座分布結構越好,定位精度就越高[6]。

1 現有北斗衛星導航系統星座構型

對于軌道設計和控制,在實際衛星發射之前開展仿真分析、理論計算,有助于確認實現系統服務性能的最佳星座構成,數字仿真技術是最佳仿真手段選擇,它具有計算精度高、適應范圍廣、通用性好等特點。設計得好的商業軟件可以滿足軌道設計的主要需求。在目前主流的商業軌道仿真軟件中,STK軟件在航天領域已得到廣泛應用。運用STK對星座構型進行分析,結果一目了然,從而檢驗優化導航系統星座的質量[7]。

作為“一帶一路”上的非洲支點,東非版塊諸多城市成為經濟特區已進入緊張建設階段,擴充星座覆蓋沿線城市進行有效分析、提升服務精度很有必要,因此本文選擇仿真的擴展區域設置為-10°～55°N,35°～135°E,限制最小仰角為5°,因為MEO衛星的回歸周期為7天,因此這里選擇仿真時間為7天。區域內分辨率設置為Lat/Lon,其數值設置為1°.

增加衛星是提高精度實現服務性能增強的重要方式,為降低成本避免資源浪費,對衛星種類、數量和在軌位置的選擇和設計尤為重要,有必要做出分析和優化。目前北斗衛星區域導航系統采用了GEO衛星、IGSO衛星和MEO衛星3種不同軌道高度衛星組成的混合星座,在北斗導航系統前期設計中,星座設計為5+5+4模式,即由5顆GEO衛星、5顆IGSO衛星、4顆MEO衛星組成。如圖1所示為7天內不同衛星對目前的重點服務區域(10°～55°N,70°～135°E)覆蓋的可視時間分布。

圖1 不同衛星對重點服務區的可視時間分布

結果顯示MEO衛星對重點服務區的可視時間比GEO衛星和IGSO衛星短,因此,這里不討論增加MEO衛星,由于軌位資源的限制,本文主要就增加IGSO衛星的數量和在軌位置進行分析,從而實現星座優化。

2 星座擴充性能分析

2.1 增加1顆IGSO衛星

當衛星處在軌道上任一點時,衛星的在軌位置便取決于真近點角[8]。以真近點角作為參數,30°為增幅,得出1組不同真近點角的衛星在軌位置數據,分別對所擴展區域和重點服務區域的GDOP值進行分析,結果如圖2所示。

圖2 區域平均GDOP值隨真近點角的變化情況

分析顯示擴展區域和重點服務區域的平均GDOP值隨衛星真近點角的變化趨勢基本相同。軌道1的衛星最佳真近點角范圍在330°～360°之間,通過篩選不斷縮小分析范圍,最終確定最佳在軌位置增加衛星,既保證了重點服務區的服務能力不受影響甚至改善的同時,大大增強了對東非區域的系統服務性能。如圖3所示。

圖3 擴展區域GDOP值分布情況(a)5+5+4模式;(b)增加1顆IGSO衛星

不同軌道增加IGSO衛星選擇最優在軌位置的方法類似,但是不同軌道衛星最優在軌位置有很大不同如圖4所示。

圖4 不同軌道衛星各自在軌位置對區域GDOP值的變化趨勢

2.2 增加2顆IGSO衛星

不同軌道分別增加1顆IGSO衛星,劃分軌位得出兩組不同真近點角,通過排列組合篩選出最優在軌位置。圖5所示為增加2顆最優軌位IGSO衛星后星座對擴展區域的平均GDOP值分布情

圖5 增加2顆IGSO衛星后對擴展區域GDOP值的分布情況

況,結果顯示擴展后星座不僅對我國境內西部地區的服務性能明顯提升,尤其對東非區域有了極大改善,完全實現了增強對“一帶一路”上非洲“支點”服務的目標。

3 重要城市服務性能分析

GDOP是綜合的幾何精度因子,GDOP越大,精度越差。由于衛星是運行的,對覆蓋區的幾何關系均不一樣,因此不同地區的精度也有差異。[9]選取北京、三亞、喀什、吉布提港和瓜達爾港等重要位置的城市進行仿真分析,不同星座模式下各城市的平均GDOP值和衛星可視情況如表1、表2所示。

表1 不同城市平均GDOP值統計

表2 不同城市最少可見衛星數統計

綜上結果分析,增加衛星時選擇最佳在軌位置不僅對我國境內城市的服務性能有提升,尤其對非洲支點的吉布提和瓜達爾等重要城市更有顯著改善。

選擇最優軌位增加2顆IGSO衛星,對北京和吉布提一周內平均GDOP值變化情況統計,如圖6、圖7所示。

圖6 增加2顆IGSO衛星對北京的平均GDOP值變化情況統計

圖7 增加2顆IGSO衛星對吉布提的平均GDOP值變化情況統計

4 結束語

本文在“一帶一路”背景下展開星座擴充研究,從衛星的種類、數量和在軌位置進行分析和優化,在不影響甚至增強系統對重點服務區服務性能的同時,實現“一帶一路”下的東非重要港口城市的衛星覆蓋和系統服務能力。

1) 有限的軌位資源、星下點運行軌跡的不同,使GEO衛星、MEO衛星不具備增強擴展區域系統服務性能的最優條件,因此首選IGSO衛星增強擴展區域系統服務能力;

2) 在設定的軌道增加IGSO衛星時,不同在軌位置對分析區域的平均GDOP值分布有很大不同,選取不同真近點角分析得出指定軌道的最優在軌位置,不僅可以實現對重點服務區域的系統服務性能提升,同時大大提高擴展區域即東非版塊的服務能力,為有限條件下星座擴充實現服務性能最大化改善提供參考。

[1] 鞠華瑩,李光輝.建設21世紀海上絲綢之路的思考[J].國際經濟合作,2014(9):55-58.

[2] 蔡春林.新興經濟體參與新絲綢之路建設的策略研究[J].國際貿易,2014(5):25-29.

[3] 林備戰.“一帶一路”推動港口企業走出去[J].港口經濟,2016(2):1-3.

[4] DOD/DOT.2001 Federal radio navigation plan. DO TVN TSC-RSPA-01-3.1/DOD-4650.5[R].2001.

[5] 徐嘉.故障星分布對星座PDOP可用性影響的建模及評價[J].航空學報,2008,29(5):1139-1143.

[6] 胡曉粉.北斗系統衛星可見性和精度因子分析[J].導航定位學報,2014,6(2):63-64.

[7] 丁溯泉.STK使用技巧及載人航天工程應用[M].北京:國防工業出版社,2016.

[8] 劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法 [M].北京:科學出版社,2008.

[9] 譚述森.衛星導航定位工程[M].北京:國防工業出版社,2010(7):67-69.

The Effect of Constellation Expansion on System Service Performance

SUN Jiangyan,HU Caibo,YANG Maohe,SUN Wenlong

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing,100094China)

The current situation of the three kinds of satellite hybrid networks of No.2 Beidou regional satellite navigation system is discussed in this paper. Through the expansion design of the style and number of different satellites,the important service performance of the selected important area and enlarged area such as Geometric Dilution Of Precision(GDOP) and N Asset Coverage is simulated using the STK software. The acquired analysis results show IGSO satellite has better conditions for enhancing system to improve regional service performance. According to the distribution characteristics of the key city along “The Belt and Road” in African countries, further optimization and improvement about the number and location in orbit of constellation expansion is executed and provide reference for constellation expansion to realize the maximum of service performance under limited conditions.

′The Belt and Road Initiative′; BeiDou regional satellite navigation system; STK; GDOP; n asset coverage

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.001

2017-01-15

TP 228.4

A

1008-9268(2017)02-0001-05

孫江艷 (1985-),女,助理工程師,主要從事衛星導航研究。

胡彩波 (1978-),男,高級工程師,主要從事衛星導航研究。

楊茂和 (1975-),男,工程師,主要從事衛星導航研究。

孫文龍 (1988-),男,助理工程師,主要從事衛星導航研究。

聯系人: 孫江艷E-mail: sjy7297@126.com