低軌衛星增強衛星導航服務性能分析

張利偉 王茂磊 高楊

摘要：選取國內微厘空間低軌星座，通過分析低軌星座和GPS星座高低軌聯合導航定位情況下衛星可見數變化、DOP值改善和落地電平大小，深入研究了低軌導航衛星星座對當前GPS導航衛星星座服務性能的增強效果。仿真分析表明，低軌衛星星座可對GPS星座導航服務性能實現約36%以上的增強，衛星可見數提高了約10倍；在信號方面，相同發射功率下落地電平可以提高約25 dB。

關鍵詞：低軌；GPS；導航；STK；DOP

中圖分類號：P228.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2023）05-57-5

0引言

當前全球共有四大衛星導航系統，成為了世界各國生活和經濟發展不可或缺的一環。但在定位精度要求更高的自動駕駛、無人機編隊匯演等新興領域，傳統的衛星導航系統已無法滿足用戶的需求，還存在落地電平低易受干擾、初次定位速度慢、戰時星座受損遭毀情況下衛星補充速度慢等不足。以美國“星鏈”為代表的低軌巨型星座在世界范圍內掀起了建設低軌衛星的熱潮，具有星座彈性能力強、成本低等優點[1]，2021年加州大學基于多普勒定位原理實現了水平誤差10 m、空間誤差22.9 m的定位，驗證了低軌衛星通信信號用于導航的可行性。

國內眾多公司也開始謀劃布局低軌星座，其中較為知名的有“鴻雁”通信星座、“虹云工程”、“微厘空間”星座[2]。未來低軌星座融合衛星導航將是導航產業發展的大趨勢，具有很強的發展潛力。鑒于當前沒有成熟的低軌系統，無法實際驗證分析低軌星座融合衛星導航的服務性能，其中微厘空間星座于近期還在陸續發射新的衛星，因此選擇微厘空間星座作為對象，分析低軌星座對衛星導航服務性能的增強效果。導航衛星星座中GPS應用最為廣泛、服務時間最長，因此選擇其作為分析對象。

1 GPS星座和微厘空間低軌星座

通過STK軟件（11.2版本）對GPS星座和微厘空間低軌星座進行了仿真，不考慮高度截止角和低軌衛星波束角，GPS完整星座為Walker24/6/1，軌道高度約為20 200 km。其中微厘空間星座由傾斜軌道子星座Walker120/12/1和近極地軌道子星座Walker30/3/1兩種星座混合而成，低軌衛星星座參數如表1所示[3]。

2仿真分析

3仿真結果

GPS衛星導航具有全天時、全天候的優點，同樣也存在脆弱性、落地電平低、衛星數量少、冗余量低，且用戶易受干擾，空間段在損失若干衛星后將嚴重制約全球導航能力的生成。低軌星座數量龐大、發射成本低、補網速度快，可以彌補目前GPS衛星導航的缺點。從全GPS星座聯合微厘空間星座、部分GPS衛星聯合微厘空間星座、僅微厘空間星座共3個場景分析低軌衛星星座對GPS星座的增強效果，最后對信號強度進行計算分析。

3.1微厘空間星座聯合全GPS星座服務性能

在日常條件下，可聯合GPS星座、微厘空間星座為用戶提供導航定位服務，為部分重點用戶提供高強度信號的服務。

3.1.1衛星可見數

GPS星座采用STK軟件默認的星座，共31顆衛星，分布在6個軌道面，地面最低可視角度為0°。接收機最少需要同時可視4顆衛星才能完成定位解算，衛星數量越多，接收機可選擇用于定位的衛星就越多，多余觀測數越多，還可以剔除某些觀測角度不好的衛星，實現更好的定位效果。通過仿真分析推算了不同緯度下GPS可見數的改善情況，仿真表明低緯度增加的衛星數量最少約8顆，中高緯度內可見衛星數增加較多約為11顆，GPS星座聯合微厘空間星座不同緯度的衛星可見數如圖1和表2所示。

3.1.2 DOP值

全球平均DOP值由1.53改善為0.975，提高了36.3%，南北緯40°～60°區間定位性能最好。根據式（1），可以得出在用戶等效距離誤差不變的情況下，定位精度可以提高約36%，GPS星座和微厘空間星座聯合下DOP值隨緯度的變化情況如圖2所示。

3.2低軌星座聯合部分GPS衛星服務性能

GPS星座由6個軌道面組成，每個軌道面4顆衛星，可實現全球任意區域的導航信號增強，但是衛星數量較少，在損失若干衛星后其全天時的導航能力將失能。按照每個軌道面分別保留3顆或2顆衛星分析其定位性能，以及加入低軌星座后的改善程度。

3.2.1衛星可見數

GPS星座的每個軌道面保留3顆衛星，經仿真全球范圍內衛星可見數為9.45顆。加入低軌星座后，衛星可見數為17.6顆。每個軌道面3顆GPS衛星和微厘空間星座衛星可見數如表3和圖3所示。

GPS星座的每個軌道面保留2顆衛星，經仿真全球范圍內衛星可見數平均值為4.5顆。加入低軌星座后，衛星可見數為15顆。每個軌道面2顆GPS衛星和微厘空間星座衛星可見數如表4和圖4所示。

3.2.2 DOP值

GPS星座每個軌道面有3顆衛星的情況下，經仿真計算，其全球DOP值平均為2.6。加入低軌衛星后全球DOP值平均為1.12，提高了132%，相較于僅GPS完整星座提高了26.7%。圖5為保留3顆衛星的GPS星座全球DOP值仿真結果，圖6為加入低軌星座后的仿真結果，仿真表明每個軌道在損失1顆衛星的情況下，其定位性能下降了70%。

GPS星座每個軌道面有2顆衛星的情況下，經仿真計算，其全球DOP值平均為9.9。加入低軌衛星后全球DOP值平均為1.26，相較于僅GPS完整星座提高了17.6%。圖7為保留2顆衛星的GPS星座全球DOP值仿真結果，圖8每個軌道面2顆GPS衛星和微厘空間星座衛星DOP值。

3.3僅低軌星座服務性能

3.3.1衛星可見數

考慮到GPS星座受損的極限情況，下面分析了僅低軌星座的定位性能。經仿真分析，低軌星座全球范圍內可見數平均值為10.36顆，微厘空間衛星可見數如表5和圖9所示。

3.3.2 DOP值

在低軌星座的單獨支撐下，同樣具備全球導航定位能力，經仿真計算，平均DOP值為2.12，如圖10和圖11所示。

以軌道高度代表衛星與用戶之間的距離，粗略計算在GPS L2導航信號頻率下GPS衛星空間損耗和低軌衛星損耗。其中GPS衛星軌道高度為20 200 km，L2信號頻率為1.228 GHz。經計算GPS衛星導航信號空間損耗為120.33 dB，微厘空間傾斜軌道衛星導航信號空間損耗為94.01 dB，微厘空間近極軌道衛星導航信號空間損耗為95.81 dB。可以得出在衛星發射功率相同的情況下，微厘空間的落地電平相較于GPS衛星高了約25 dB。較大的落地電平將對原有的GPS導航信號產生不可忽視的同頻干擾。

GPS星座和低軌導航星座的聯合定位必須要解決大小信號的問題，在GPS衛星信號強度保持不變的情況下，需要降低低軌衛星的發射功率來降低對GPS衛星信號的影響，由于C/A碼具有25 dB抗干擾能力[5]，因此低軌衛星的導航信號在相同發射功率下將對GPS本身信號產生不可接受的干擾，影響GPS和低軌導航的聯合使用。GPSIII衛星可以實現約20 dB的信號增強[6]，當GPS衛星發射功率最大時，低軌衛星也需要進行相應的功率調整，在聯合運維的情況下，高低軌衛星落地信號強度應保持高低軌落地電平值小于25 dB值，最好是達到同等的落地電平值，實現GPS衛星和低軌導航衛星之間的兼容互操作以及全球范圍內高低軌衛星導航信號協同增強更好地服務重要用戶。

4結束語

本文基于GPS衛星導航星座和微厘空間星座，通過對不同場景下GPS星座聯合低軌星座的定位性能進行分析仿真，結果表明，其定位性能相較于僅完整的GPS星座約有17.6%～36.3%的提升，最后分析了落地電平的互擾情況，分析表明相同衛星發射功率下低軌落地信號強度提升約25 dB，將對GPS衛星信號產生不可接受的影響，在聯合運維過程中需要配合協同，使落地電平差值保持在較小水平。

參考文獻

[1]李陸，郭莉麗，王克克."星鏈"星座的軍事應用分析[J].中國航天，2021（5）：37-40.

[2]徐小濤，龐江成，李超.星座衛星移動通信系統最新發展及啟示[J].國防科技，2021，42（1）：100-105.

[3]江旭東，陳瀟，馬滿帥，等.典型低軌衛星星座導航增強性能對比性評估研究[J].全球定位系統，2021，46（2）：49-55.

[4] DONNELL M O，FISHER J，SIMPSON S，et al.Galileo Performance：GPS Interoperability and Discriminators for Urban and Indoor Environments[J].GPS World，2003，14（6）： 38-45.

[5]宋穎鳳，葛海龍，王四紅.對GPS的干擾與抗干擾技術研究[J].艦船電子工程，2004（6）：26-30.

[6]孫進，初海彬，董海青，等.導航衛星系統功率增強技術與覆蓋范圍研究[J].測繪學報，2011，40（S1）：80-84.