北斗混合星座DOP值与定位性能分析

王鹏旭,吕志伟

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450001;2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心,郑州 450001)

北斗混合星座DOP值与定位性能分析

王鹏旭1,2,吕志伟1,2

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450001;2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心,郑州 450001)

区别于其他卫星导航系统,北斗卫星导航系统由于增加了GEO与IGSO两种卫星构成了混合星座,这两种卫星在设计覆盖区域均具有较高的卫星利用率,能够对亚太地区导航和定位进行加强,这也符合我国北斗从区域走向全球的发展实际。但GEO、IGSO为高轨道卫星,且GEO卫星轨道分布比较特殊,会对星座几何构型及卫地空间构型产生影响,利用STK(Satellite Tool Kit)仿真出单GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO等几种星座,在中国各个地方建立地面站,得到不同地面站在不同时段的精度因子(DOP)值,从而对几种星座的区域定位性能以及不同卫星对卫地空间构型的影响进行分析。

混合星座;精度因子(DOP);区域卫星导航系统;STK

0 引 言

遵循“先区域、后全球”的总体思路,我国北斗卫星导航系统按“三步走”的发展规划稳步有序推进,2012年10月份完成区域卫星导航系统的卫星组网,在同年12月份正式公布对亚太地区提供卫星导航定位服务,系统的空间段当时已由5颗GEO卫星,5颗IGSO卫星(其中2颗为备用),4颗MEO卫星构成[1]。由于GEO卫星的相对静止分布特性,可满足某一区域全天候覆盖的要求,因此国际上也普遍采用在原有卫星资源的基础上利用GEO卫星或GEO与IGSO卫星相结合的方式建立了各种区域增强系统,如美国的广域增强系统(WAAS),便是在原有GPS卫星的基础上增加几颗GEO卫星构成了一个星基型广域差分GPS;欧洲的地球静止导航重叠服务(EGNOS)通过发射几颗GEO卫星来增强GPS/GLONASS两个卫星导航系统的定位精度,以提高用户定位导航性能;此外还有日本的多功能卫星增强系统(MSAS)等[2]。但是GEO、IGSO为高轨卫星,且GEO卫星分布大致在一条圆形轨道上,对比其他纯MEO星座的卫星导航系统,会对星座几何构型及卫地空间构型产生影响[3]。本文利用STK软件仿真出几种星座组合,求出不同地面站各个时段的DOP值,从而对北斗混合星座的区域定位性能以及不同卫星对卫地空间构型的影响进行分析。

美国AGI公司开发的STK软件是航天领域中先进的系统仿真分析软件,在世界航天工业界具有较高的知名度。STK主要用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它可提供逼真的三维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果,支持卫星寿命的全过程,是一个快速了解空间飞行任务中多学科交叉内容十分强大而灵活的软件工具[4]。本文采用STK9.2.1作为仿真工具。

1 精度因子(DOP)

(1)

定义权逆阵Qxx=(ATA)-1,则可以得到精度因子为

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中,GDOP表示用户与可见卫星空间几何分布的好坏,与用户与卫星构成的空间多面体的体积成反比关系。

2 观测站的建立及STK覆盖分析

为了详细分析北斗混合星座区域卫星导航系统的定位性能,本文首先利用STK仿真出北斗区域导航系统星座,再选取几个地面站,利用STK覆盖分析功能求取各时段各地面站的GDOP值进行分析。

2.1 观测站的建立

在中国全境从南到北选取了三亚、长沙、西安、乌鲁木齐、漠河共5个测站,基本代表了中国全境,其概略坐标如表1所示。

表1 国内5个观测站的经纬度

2.2 STK覆盖分析

STK共提供了三种方法建立卫星对象:一是直接从该软件数据库里加载卫星对象;二是利用STK里面的Orbit Wizard(轨道向导)输入轨道参数建立卫星对象;三是通过下载北美防空司令部的两行星历数据(TLE)格式导入。本文采用第三种方法通过下载两行星历数据构建卫星对象。

利用STK软件的覆盖分析模块里面Coverage Definition和Figure of Merit功能可以定义覆盖范围和评估覆盖资源的覆盖品质参数,本文定义的覆盖范围为全球(Global),覆盖品质参数(FOM)选DOP,可以得到某一时刻的GDOP分布渲染图,也可以得到设定时间段内各历元GDOP值及图表并输出。

3 混合星座定位性能分析

以GEO卫星为参照,构建单GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO共4种星座,分别仿真出设定时间段内(本文为下载的2015年12月3日一整天的星历数据)不同星座下区域GDOP分布图及各地面站GDOP值,通过比较加入其它卫星之后对单GEO星座的定位性能的改善可以得出混合星座的定位性能(注:本文仿真卫星包括截止到2015.09.30第20颗北斗导航卫星发射升空后目前所有在正常在轨运行的5颗GEO,7颗IGSO及5颗MEO卫星)。

3.1 单GEO星座

根据星历数据仿真出的纯GEO星座以及某时刻的GDOP值分布图,分别如图1和图2所示。

图1 单GEO星座

图2 单GEO星座某时刻GDOP值分布

把全部GEO卫星与各个测站分别关联,可得到如表2所示的各测站一天内GDOP最大值,最小值及平均值。

表2 单GEO星座下各测站GDOP值

表中数据说明了两个问题:一是GDOP值过大,就定位精度有效性而言不可用,也就是不能直接用于定位；二是GDOP值随纬度变化呈现出规律,即随纬度增大而增大,换言之低纬度精度高,高纬度精度低,从图2也可以看出这种趋势。

出现这种状况的原因乃是GEO卫星大致分布于一条圆形轨道上,如图1所示,卫星与地面站的空间几何构型很差,所以不能直接用于定位。在我国北斗一代区域有源卫星导航系统中,对于这个问题的解决乃是通过地面站提供电子地图高程值从而完成辅助定位。

3.2 GEO/IGSO混合星座

按照我国北斗卫星导航系统“三步走”的发展规划,2010年8月1日,第一颗北斗IGSO卫星发射升空,标志着北斗二代区域卫星导航系统正式开始部署[3],如今已有7颗IGSO卫星发射升空并分布于倾角为55°的3个倾斜地球同步轨道上(2颗为备份卫星)。

根据星历数据仿真出的GEO/IGSO混合星座以及某时刻的GDOP值分布图,分别如图3,图4所示。

图3 GEO/IGSO混合星座

图4 GEO/IGSO混合星座某时刻GDOP值分布

同理,可得各测站一天内GDOP最大值,最小值及平均值,如表3所示。

表3 GEO/IGSO星座下各测站GDOP值

通过表3与表2比较可以发现:一是GDOP值大大改善,维持在正常水平(常见星座设计中GDOP不大于6)可直接用于定位。二是随纬度的增大依然有增大趋势,但变化幅度比较小,从图4也可以看到这种趋势。

加入IGSO卫星之后,GDOP值之所以会有较大的改善,文献[1]在研究区域卫星导航星座方案时指出,IGSO卫星的星下点轨迹呈8字形分布,在设计覆盖区内具有约80%的利用率,可大大改善卫星与地面站的空间几何构型,与GEO组合是区域卫星导航系统比较理想的设计方案,也因此成为了我国北斗二代区域卫星导航系统的设计方案。

3.3 GEO/MEO混合星座

2012年以后,MEO不断发射升空,截止本文下载轨道卫星数据时已有5颗MEO卫星分布于2个倾角为55°的的轨道平面上,标志着北斗导航系统加速全球布网,由区域走向全球的步伐正在逐步加快[3],根据星历数据仿真出的GEO/MEO混合星座以及某时刻的GDOP值分布图,如图5,图6所示。

图5 GEO/MEO混合星座

图6 GEO/MEO混合星座某时刻GDOP值分布

同理,把全部GEO/MEO卫星与各个测站分别关联,可得到如下表所示各测站一天内GDOP最大值,最小值及平均值,如表4所示。

表4 GEO/MEO混合星座下各测站GDOP值

由表4可以发现以下几个问题:一是GDOP值不稳定,波动区间较大,难以直接定位;二是GDOP值最小值均小于前面两种星座。

之所以出现这种情况,乃是因为MEO是为全球定位系统部署的中高轨卫星,文献[1]中也指出中高轨卫星(MEO)在设计覆盖区的利用率比较低,约为37%,而目前北斗MEO卫星还处于部署阶段,只有5颗在运行,目前单就MEO卫星而言,地面站最小可见卫星数目为0的情况也会经常出现,此时就变成了单GEO星座定位,即图4中GDOP最大值出现的情况,但也有可见性比较好的时段,即表3中出现的情况。可以预估的是随着未来北斗MEO卫星的陆续部署,卫星可见数也会大大改善,该种混合星座的定位性能会优于GEO/IGSO混合星座[6].

3.4 GEO/IGSO/MEO混合星座

相比其他定位系统,在原北斗导航试验系统以及北斗二代区域卫星导航系统基础上发展起来的北斗全球定位系统有其自身的特色,即增加了GEO与IGSO卫星可对亚太地区的导航和定位进行增强。

根据星历数据仿真出的GEO/IGSO/MEO混合星座以及某时刻的GDOP值分布图,如图7、图8所示。

图7 GEO/IGSO/MEO混合星座

图8 GEO/IGSO/MEO混合星座某时刻GDOP值分布图

同理,把全部GEO/IGSO/MEO卫星与各个测站分别关联,可得各测站一天内GDOP最大值,最小值及平均值,如表5所示。

表5 GEO/IGSO/MEO混合星座下各测站GDOP值

通过表5与表2、表3、表4对比后可以发现:一是GDOP值较小且维持在正常水平; 二是GDOP值随纬度变化的趋势已经不太明显,从图6中也可以看出来,说明当前的混合星座对亚太地区均能维持一个比较理想的定位精度。

4 结束语

本文利用STK仿真出北斗单GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO几种混合星座,通过分析设定测站各时段GDOP值分布,得到了不同混合星座的区域定位性能以及不同卫星对卫地空间构型的影响。其中GEO/IGSO/MEO全星座定位性能最优,其次是GEO/MEO星座,再次是GEO/IGSO星座,最差的是单GEO星座。但就目前的卫星部署来说,GEO/MEO星座定位性能并不及GEO/IGSO星座。

就目前的北斗区域卫星导航定位系统而言,IGSO卫星对区域定位性能的的贡献应该是最大的。随着MEO卫星的不断部署,北斗也将逐步由区域卫星导航定位系统过渡到全球导航定位系统,亚太区域的定位精度也将会得到进一步提升与改善。

[1]Chinese Satellite Navigation System Management Office. Beidou satellite navigation system development report (version 2.0)[R]. 2012.

[2]YANG Y X, LI J L, XU J Y. Contribution of the Compass Satellite Navigation System to global PNT users [J]. Chinese Science Bulletin,2011,56(26):34-56.

[3]许其凤. 区域卫星导航系统的卫星星座[J]. 测绘工程,2001,10(1):1-5.

[4]杨颖, 王绮. STK 在计算机仿真中的应用[M]. 北京:国防工业出版社,2005.

[5]项军华. 卫星星座构型控制与设计研究[D]. 长沙:国防科学技术大学,2007.

[6]王胜利, 王 庆. 北斗IGSO/GEO/MEO卫星联合高精度定位方法[J]. 中国惯性技术学报,2013,21(6):662-669.

Mixed Beidou Constellation DOP Value and Positioning Performance Analysis

WANG Pengxu1,2,LÜ Zhiwei1,2

(1.InstituteofNavigationandAerospaceTarget,UniversityofInformationEngineering,Zhengzhou450001,China;2.BeidouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China)

Different from other satellite navigation system, the beidou satellite navigation system due to the increased GEO and IGSO satellites form the hybrid constellation, because these two kinds of satellite coverage in the design region as high utilization rate of satellite navigation and positioning in the Asia-pacific region can be strengthened, which accords with the practice of the development of China's Beidou from regional to global. But GEO, IGSO especially GEO for high orbit satellite, and the peculiar of GEO orbit, the constellation effect on structure of geometry configuration and positioning model, in this paper, by using the STK(Satellite Tool Kit) simulation of single GEO, GEO/IGSO, GEO, MEO, such as GEO/IGSO/MEO constellation, in various parts of China to establish a ground station and get a different sites at different times of the Dilution of precision (DOP) value, thus for several element of regional positioning performance and the influence of different satellite on who to space configuration is analyzed.

Hybrid constellation; dilution of precision; regional satellite navigation system; STK

2016-07-02

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.002

P228.4

1008-9268(2016)06-0006-05

王鹏旭(1991-),男,硕士,主要从事网络RTK与北斗三频基线解算相关方面研究。

吕志伟(1974-),男,教授,主要从事网络RTK、精密卫星定位等方面的教学与研究工作。

联系人：王鹏旭 E-mail: 752971292@qq.com