组合GNSS系统可见卫星分析

胡自全,何秀凤

(1.西安市地下铁道有限责任公司,陕西 西安 710018;

2.河海大学卫星及空间信息应用研究所,江苏 南京210098)

组合GNSS系统可见卫星分析

胡自全1,2,何秀凤2

(1.西安市地下铁道有限责任公司,陕西 西安 710018;

2.河海大学卫星及空间信息应用研究所,江苏 南京210098)

摘要：为解决高山峡谷地区及城市建筑群区域,GPS用户接收到的卫星个数少无法满足定位的最低要求的问题,提出组合GNSS导航定位的方法。利用GPS、GLONASS及GALILEO系统的卫星轨道参数模拟,计算不同卫星高度角下全球范围内单GNSS系统及组合GNSS系统的可见卫星数。研究表明：组合GNSS系统增加了可见卫星数,突破了极端条件下卫星高度角对导航定位的限制,扩展了卫星定位的范围。

关键词：GNSS;组合系统;卫星;可见

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.001

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0001-05

收稿日期：2015-04-15

作者简介

Abstract:In order to solve the problem of the alpine and gorge region and urban built-up area, the number of satellite receiver to the GPS user cannot meet the minimum requirements for the positioning of the small problems, propose the way of combining of GNSS navigation and positioning. Simulation using GPS, GLONASS and GALILEO satellite orbit parameters, the number of visible satellites are calculated under different satellite elevation angle in the global scope of single GNSS system and GNSS system. Research shows that the combination of GNSS system increase the number of visible satellites, broke through the limitation of the extreme conditions of satellite elevation angle of navigation and positioning, expanding the scope of satellite positioning.

0引言

当今最先进的测量技术手段GPS技术,已经广泛应用于导航定位、测绘工程、搜索救援等领域。但是,在高山峡谷地区及城市建筑群区域的导航及测绘工程中GPS技术存在受到地形及周边建筑物遮挡的影响,用户终端可接收的卫星数目少[1-2],无法满足定位的最低要求,即可见卫星数大于4颗的问题。

进入21世纪以来,随着GLONASS系统的逐步开始完善、GALILEO系统建设的启动、以及GPS系统的现代化改造的逐步开展,可用的GNSS卫星数量大大增加。由于GPS、GLONASS和GALILEO使用不同的卫星轨道,对它们进行组合应用,可以提高覆盖区域的可见卫星数目,使组合GNSS系统在全球范围内有更好的覆盖;并有效提高卫星定位服务的可靠性[3-9]。本文以高山峡谷地区及城市建筑群区域GNSS卫星受山体及建筑物遮挡的实际问题为出发点,研究讨论组合GNSS系统可见的卫星数目。利用GPS、GLONASS、GALILEO的轨道参数模拟卫星星座,通过计算地球经纬度格网上观测到的卫星站心坐标及其高度角[4，10-11];分析不同遮挡条件下GNSS及其组合系统的的可见卫星数目。

1模拟卫星位置及测站可见卫星高度角的计算

根据以上卫星轨道参数,可计算得t时卫星在地心地固坐标系中的坐标[4,10]

(1)

将其转换为以测站为中心的站心坐标,即

(2)

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联系人： 胡自全 E-mail: 287113131@qq.com

(3)

式中,BP,LP为测站所在位置的纬度和经度。

采用距离r,方位A和高度角E表达站心极坐标系,建立以XPY平面为基准面,以P为原点,以X轴为极轴的站心坐标系。可计算得到站心极坐标系和站心直角坐标之间的关系式

(4)

由式(4)得测站坐标系下卫星的方位角和高度角

A=arctanY/X,

(5)

(6)

2模拟实验与结果分析

2.1　模拟实验参数

采用GPS、GLONASS及GALILEO系统的轨道参数，如表1所示,选定WGS-84坐标系,模拟出三个系统的卫星星座。选取全球范围内,5°×5°方格网,时长24h,模拟采样间隔5min每次。

表1　GPS/GLONASS/GALILEO系统参数

为研究单系统、双系统和三系统在不同的遮挡条件下的可用性,选取不同卫星截止高度角对GPS、GLONASS和Galileo系统及GPS/GLONASS、GPS/Galileo和GPS/GLONASS/Galileo组合系统卫星可见性分析。

2.2　不同卫星高度角可见卫星

通过对GPS、GLONASS和Galileo及其组合系统可见星数仿真结果的计算分析得出GPS、GLONASS及Galileo系统在不同高度角下的可见星数,并加以分析,部分结果如图1、图2、图3所示。

图1　GPS、GLONASS及Galileo系统24 h内可见卫星个数的时空百分比(a) E=10°;(b) E=15°;(c) E=30°;(d) E=40°

图2　采用双系统组合时24 h内可见卫星个数的时空百分比 (a) E=10°;(b) E=30°;(c) E=40°;(d) E=50°

图3　采用三系统组合时24 h内可见卫星个数的时空百分比(a) E=10°;(b) E=30°;(c) E=40°;(d) E=50°

图1为单系统可见星数的分布图,当卫星截止高度角为15°时,单个系统在任何时刻都有4颗以上的可见星。在不同截止高度角下,全天大部分时间里,Galileo系统的可见星数多于GPS和GLONASS系统。导航卫星可见数目随着卫星高度角的增大而逐渐减少,在截止高度角为30°时,可见4颗以上GPS卫星的时间占全天24小时的76%、GLONASS占81.5%、Galileo占100%。截止高度角为40°时,可见4颗及其以上GPS卫星个数仅为15%、GLONASS占35%、Galileo为42%。在导航定位中,当观测条件较差、高度角较高的情况下,从可观测的卫星数目来分析,Galileo优于GPS和GLONASS。从图1(c)、(d)还可以看出GLONASS可见星数高于GPS,这是由于GLONASS轨道倾角较高的原因。

GPS/GLONASS组合系统共有48颗工作卫星,GPS/Galileo组合系统由51颗工作卫星。与单个系统相比,任意时刻的可见星数都将增加。由图2可以看出,GPS/GLONASS组合系统在截止高度角较低(E=10°)的情况下,全天可以观测到8颗以上的卫星。截止高度角为30°时,全天有99.72%的时间可以观测到4颗以上的卫星。当卫星高度角提高到40°时全天有95.74%的时间可以观测到4颗以上的卫星。由图2还可以看到GPS/Galileo组合系统的可见星数目比GPS/GLONASS组合要多。

GPS/GLONASS/Galileo三系统组合的工作卫星达75颗,比双系统组合有更多的可用卫星。实验结果如图3所示,选取E=10°时,全天任意时刻和地点都可以观测到14颗以上卫星。卫星高度角等于30°时,全天可以观测到7颗以上卫星。卫星高度角等于40°时,全天有99.99%的时间可以观测到4颗以上卫星,98.16%的时间可以观测到6颗以上卫星。综上可以得出结论,组合系统的卫星可见性和系统稳定性优于单一的GNSS系统,三组合系统又优于双组合系统。

2.3　不同经纬度可见卫星

为研究组合系统在全球不同纬度卫星可见情况,实验选择GPS、GLONASS及GALILEO系统,卫星遮挡分别为15°、30°、40°的情况下研究卫星可见性,如图4所示。

图4　单系统不同遮挡高度下卫星可见数

当卫星遮挡超过30°时GPS系统在全球大部分地区可见卫星数不足4颗;GLONASS系统在南北纬45°S～45°N之间不足4颗;GALILEO在全球范围内可见卫星数4～5颗。因此,当卫星遮挡超过30°时,只有GALILEO系统可用。卫星遮挡超过40°时,GPS、GLONASS、GALILEO但系统在全球大部分区域可见卫星数不足4颗。

GNSS系统在全球范围内可见卫星数目分布和卫星轨道倾角及观测站所在的经纬度有关。GPS、GLONASS、GALILEO的轨道倾角分别为55°、64.8°和56°,GLONASS系统在高纬度地区的卫星可见性优于GPS和GALILEO.

为研究组合系统在全球不同纬度卫星可见情况,实验选择GPS/GLONASS、GPS/GALILEO及GPS/GLONASS/GALILEO组合情况下卫星高度角分别为30°、40°、50°的情况下研究卫星可见性,如图5所示。

图5　组合系统不同遮挡高度下卫星可见数

卫星遮挡高度小于40°时,GPS/GLONASS、GPS/GALILEO及GPS/GLONASS/GALILEO组合可见卫星数均大于4颗。卫星遮挡高度小于50°时,GPS/GLONASS、GPS/GALILEO组合全球范围内可见卫星数小于4颗;GPS/GLONASS/GALILEO三系统组合在南北纬70°S～70°N范围内可见卫星数大于4颗。

3结束语

组合后的GNSS系统增加了可见的导航卫星数。组合GNSS系统的应用突破了卫星高度角对导航定位的限制,扩展了卫星定位的范围,对位于城市建筑群、深山峡谷等高遮挡环境下实现导航定位及RTK测量具有重要的实际应用意义。尤其是,在卫星遮挡高度小于50°时的极端情况下采用三系统组合,可保证中低纬度地区导航定位、工程测绘及搜索救援方面的定位需求。

参考文献

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[2] 胡自全.基于GNSS的边坡变形监测与预报方法研究[D].南京:河海大学硕士论文,2010.

[3] 姚宜宾,谢鸣宇,牛文周.多频多模导航卫星系统的组合研究[J].全球定位系统,2006,31(5):16-19.

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[5] OCHIENG W Y,SAUER K,CROSS P A. Potential performance levels of a combined GALILEO/GPS navigation system[J].2001,54(2):185-197.

[6] FENG Yanming. Combined GALILEO and GPS:A technical perspective[J].Journal of Global Positioning Systems,2003,2(1):67-72.

[7] 王泽民,孟泱,伍岳,等.GPS、Galileo及其组合系统导航定位的DOP值分析[J].武汉大学学报·信息科学版,2006,31(1):9-11.

[8] VERHAGEN S. The GNSS integer ambiguities: estimation and validation [M]. NCG, Delft, The Netherlands, 2005.

[10]李洪涛,许国昌,薛鸿印,等.GPS应用程序设计[M].北京:科学出版社,1999.

[11]Coast U S. Guard.Global Positioning System standard positioning service perfotmance standard[S]. 2001.

胡自全(1983-),男,河南柘城人,工程师,硕士,注册测绘师,主要研究方向为卫星大地测量、变形监测技术。

何秀凤(1962-),女,江苏泰州人,教授,博士生导师,主要研究方向为卫星导航定位、变形监测技术、INSAR和GPS集成技术、GNSS/INS组合导航、3S集成技术。

Analysis the Visible Satellites of Combined GNSS System

HU Ziquan1,2,HE Xiufeng2

(1.Xi'anMetroCo.,Ltd,Xi'an710018,China; 2.InstituteofSatelliteNavigationandSpatial

InformationSystem,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Key words: GNSS; combined system; satellite; visibility