基于STK的北斗衛星導航系統仿真與分析

王欣蕊

【摘 要】利用衛星仿真工具包STK，結合國外全球導航系統的技術經驗和北斗衛星導航系統目前公布的技術資料，對北斗衛星導航系統的星座設計、衛星可見性、定位精度等方面進行了詳細的仿真與分析。STK逼真的圖形顯示提高了北斗衛星導航系統中星座仿真的可視化成效，通過分析衛星可見性及定位精度，能夠得出北斗衛星導航系統是一種區域定位性能較佳的衛星導航系統，它可以讓用戶體驗到更為精確的定位導航服務。

【關鍵詞】北斗衛星導航系統；衛星仿真工具包；星座設計；精度因子；衛星可見性

【中圖分類號】P228 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）03-0079-02

0 前言

北斗衛星導航系統（Beidou navigation satellite，BDS），是我國自主研發的一款完全獨立運行的全球衛星導航系統。建成技術先進、開放兼容、自主獨立且具有極高穩定性的全球覆蓋的導航系統，進而形成衛星導航產業鏈，促使國家衛星導航產業保障、支持及推廣體系的進一步完善，加快國民經濟社會各行各業中衛星導航的普及，這是這一系統的建設總目標[1]。

現如今，我國BDS系統還處在建設星座組網的階段，據系統建設所制定的規劃，該系統于2012年左右就將完成對亞太地區導航、定位、授時等服務能力的覆蓋；到了2020年，BDS系統將實現全球覆蓋。為此，我們展開后續工作的一項重要前提就是對系統進行模擬仿真。基于以上情況，本文通過運用著名仿真分析平臺STK（全稱Satellite Tool Kit）來詳細地仿真與分析BDS系統的星座設計、衛星可見性與定位精度等。

1 星座設計及仿真

現階段，Walker星座是世界上衛星導航系統布局時常選用的。Walker星座是圓形軌道，是由一組在相同軌道傾角與周期運行的圓軌道衛星組成，記作Walker T/P/F所有軌道上面的衛星等間距分布均勻，每個軌道面之間的升交點經度間距呈相同角度分布均勻，為此T=s乘以p，即同軌道面的衛星個數乘以軌道面個數=衛星數量。相位參數F對相鄰兩條軌道之間衛星的相對相位進行確定，F是0到P-1的整數，是最東方的衛星軌道到最為西方衛星軌道之間的“縫隙”數量[2]。與衛星通信系統相比，衛星導航對星座有著大不相同的機和限制，其中最明顯的就是導航應用之中要求同時見到更多的衛星，即需要多重覆蓋。就拿GPS系統來說，GPS導航解算最少需要4顆用戶可視的衛星，以提供用戶確定三維位置和時間所必需的最少4個觀測量。因此，GPS星座的一個主要限制是必須一直提供至少4重覆蓋。為可靠地保證這種覆蓋水平，實際的GPS星座設計為提供4重以上的覆蓋，這樣即使有一顆衛星出現故障，也能至少維持4顆衛星可見。

對于衛星無線電導航系統（RNSS系統）星座的選擇，理論和實踐表明，高度在2 000 km以下的低軌衛星星座是不合適的。歐盟伽利略衛星導航系統在進行星座設計時所得出的結論和經驗如下。

（1）最少要有24顆衛星，才能實現中高等級的性能指標。伴隨衛星數量的增多，衛星高度對性能指標的影響逐漸降低。衛星高度對精度的貢獻，在全球衛星數量≥27顆的時候，就無貢獻可言。

（2）30顆MEO衛星的星座方案為優，選Walker 30/3/1的星座設計為最優方案。當半長軸大于等于25 000 km時，均能使垂直與水平精度優于5.5 m（可用度優于99.7%）。

（3）不用進行星座修改，增加在軌備份衛星，即可實現可用度的提升。

文獻[3]指出，北斗衛星導航系統在空間段由5顆GEO衛星和24～30顆MEO衛星組成，位于軌道傾角為55°的3個軌道平面內，運行周期為12小時55分鐘，是一種全球構架下并具有優良區域定位性能的衛星導航系統。綜合以上討論的各種因素，選擇5GEO+30MEO的星座方案，利用STK軟件對星座進行建模仿真[3]。

2 衛星可見性分析

為了能夠實現對衛星信號的及時獲取，應預估出衛星相對于某一地面站點的可視衛星數量、進出場時間等，進而實現對其運行狀況做到充分了解，科學地進行相關衛星捕獲[4]。建立某地面站Beijing，其位置信息為（116.388°E、39.906 2°N），分析其在仿真時段內衛星的跟蹤狀況。

（1）單顆衛星跟蹤分析。利用STK提供的Access Tool分析工具，以Beidou2A衛星為例，仿真時段設定為2007年7月1日12時到7月2日12時，時間跨度是24 h。要想得到Beijing站獲取Beidou2A衛星的跟蹤時段信息，就在報告欄中選取Access。

（2）整個星座的跟蹤分析。對所有35顆北斗導航衛星進行跟蹤分析，能夠將全部衛星對Beijing站的進出場時間獲取到。

（3）可見衛星數目分析。利用STK鏈路工具，新建一個鏈路分析。將上述Beijing站和北斗導航衛星星座當做是鏈路之中的兩個對象放到目前鏈路之中，就能夠對仿真時段里任何時間的Beijing站可視衛星數量進行分析。該地面站點基本任何時間，都可以同時接收到來自北斗系統超過13顆的衛星，18顆是最多的時候[5]。也就是說，能對多重覆蓋的要求進行滿足。

3 定位精度分析

位置精度與給定精度下的可信度，可以說是絕大部分用戶最為關心的。利用利用北斗衛星導航系統進行定位，它取得的精度主要由2個方面的因素所決定。使用Accuracy=UERE×DOP表示位置精度，其中位置精度即Accuracy，精度因子即DOP，用戶等效距離誤差即UERE，用戶定位精度越低，其數值越大，反之其數值越小，用戶定位就獲得越高精度[6]。

等效距離誤差是根據衛星至接收機的路徑上的各種因素（如鐘差、電離層延遲等）預測的偽距觀測值的變化值，精度因子反映衛星的空間幾何分布，它是星座大小和軌道參數的一個函數。通常有平面位置精度因子HDOP、高程精度因子VDOP、空間位置精度因子PDOP、接收機鐘差精度因子TDOP和幾何精度因子GDOP[7]。利用以上各項精度因子，便可以從不同的方面對定位精度做出評價。通過對STK覆蓋分析模塊地利用，能將單個或是星座對象的區域與全局覆蓋問題分析出來。針對于Beijing站，對該站點仿真時段內各DOP值進行計算，并將其隨時間變化的曲線繪制出來。此外，對全球范圍進行覆蓋分析，對DOP值伴隨地理位置的空間變化情況展開考察。空間分辨率取1°×1°，分析幾何精度因子GDOP隨經緯度的變化。全球范圍內北斗衛星導航系統的GDOP值均在1.7以內，總體上曲線起伏較小，說明北斗衛星導航系統具有良好的系統連續性。GDOP值在中低緯度地區相對比較小具有穩定性，GDOP值隨經度變化較緯度方向相對明顯，整體上在1.65左右。由于存在5顆增強區域導航性能的GEO衛星，故在我國及周邊地區的經度范圍內GDOP較之其他經度范圍略小，處于1.30左右，其他經度范圍內，GDOP水平在1.60左右。

我們不難看出，在世界范圍內BDS系統的設計有著優良的覆蓋品質，能夠將更高精度的導航定位服務提供給客戶，是一種全球構架之下區域定位性能良好的衛星導航系統。

4 結語

北斗衛星導航系統目前仍處于建設階段，本文利用STK提供了強大的衛星仿真平臺對北斗系統進行了仿真分析，仿真精度還需等待系統完成建成，并在正式投入運行之后展開進一步驗證。本文所做工作對開拓北斗衛星導航系統應用領域具有一定意義，同時可以為具體的空間任務設計提供相應的參考依據。

參 考 文 獻

[1]Paul Massatt，Micheal Zeitzew.The GPS Constellation Design-Current and Projected[C].Proceedings of The National Technical Meeting “NAVIGATION 2000”.Long Beach.California，1998：569-574.

[2]佚名.歐洲全球導航衛星系統（GNSS-2）比較研究（八）[R].周傲松，譯.中國空間技術研究院，2001.

[3]譚述森.北斗衛星導航系統的發展與思考[J].宇航學報，2008，29（2）：392-396.

[4]楊穎，王琦.STK在計算機仿真中的應用[M].北京：國防工業出版社，2005：87-120..

[5]柴霖，袁建平，方群，等.基于STK的星座設計與性能評估[J].宇航學報，2003，24（4）：421-423.

[6]代明鑫，張文明，王雪松.基于STK的SAR衛星軌道預報設計與仿真[J].現代防御技術，2008，36（1）：5-9.

[7]周廣勇，李良良.基于STK的全球衛星導航定位系統DOP值仿真[J].地理空間信息，2009，7（3）：102-104.

[責任編輯：鐘聲賢]