极地GNSS性能仿真分析研究

左宗,陈明剑

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



极地GNSS性能仿真分析研究

左宗1，2,陈明剑1,2

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

极地地区丰富的自然资源以及重要的战略地位,引起了各国广泛关注。卫星导航具有精度高、受天气影响小、全天候导航等优点,能为极地实时导航提供可靠数据。本文利用STK软件仿真了GNSS(BDS/GPS/GLONASS)的卫星星座,基于南极科考站数据分析了GNSS卫星覆盖性、可见性、高度角变化规律以及多系统导航性能,通过在北极高纬度航道建立虚拟观测站计算了GNSS在北极航道的DOP分布情况,并重点研究了北斗卫星导航系统未来在极地地区的导航性能。结果表明,目前GPS和GLONASS基本能满足极地的导航需求,GLONASS相对更稳定,BDS的全球化将为极地科考提供新的契机。随着多系统导航的应用,卫星导航在极地的定位精度和可靠性将显著提高,也扩大了截止高度角的选择范围。

STK;GNSS;DOP;极地导航;可见性和覆盖性

0 引 言

人们对南极地区和北极地区卫星导航的运用研究相对独立。在北极,利用极区海冰加速融化契机实现船舶安全通航[1]等成为研究重点。在南极,完成考察地区卫星大地控制网布设、实现极区冰雪环境动态变化过程监测[2]以及建立极区电离层模型[3]等的研究已取得巨大进展。虽然我国历次南极内陆考察期间均在GPS导航下完成科学考察,但系统的导航定位技术并不能完全满足南极导航期间的所有科考任务需求。比如准确找到科考路线上的科研设备、恶劣天气中准确预报位置信息等[4]。GPS、GLONASS以及BDS的组合将显著增加可见的卫星数量,使得卫星定位精度因子(GDOP)值变小,从而提高导航定位精度。

文献[5]利用STK软件仿真了北斗区域星座,计算了北斗区域星座在全球范围内的GDOP分布。文献[6]基于STK软件对BDS、GPS和GLONASS系统进行不同程度的组合仿真,对中国区域内的卫星可见数、PDOP值以及定位精度进行了分析。为了更直观评估全球卫星导航系统在极地的覆盖情况及导航性能,本文运用STK软件模拟了现有卫星导航系统(BDS/GPS/GLONASS)的卫星星座,在南极科考站和北极高纬度航道上建立了虚拟观测站,运用STK/Chain模块和STK/Coverage模块得到GNSS卫星在极地的覆盖性、可见性以及高度角变化规律,从而分析GNSS导航定位性能。文章重点仿真了北斗全球导航系统在极地的导航性能,为将来北斗在极地的应用提供参考依据。

1 原理

STK软件全称Satellite Tool Kit(卫星仿真工具包),是由美国AGI公司研发,用于卫星系统分析的软件[7]。STK具有强大的演示和验证功能,可以方便快速地分析复杂环境条件下的陆海空天任务,可以提供精确的图表、报告以及逼真的可视化动态场景等多种分析结果。STK使用面向对象的体系结构,包含不同级别的类或对象,最高级别的对象是STK,最高级别的子对象是场景(Scenario)。本文在场景内建立了卫星导航系统和虚拟观测站,通过研究卫星导航系统在极地的精度衰减因子分布和卫星传感器的覆盖区域,得到相应结论。

1.1 卫星覆盖性与可见性

卫星覆盖性是指在特定时刻或者时间段内可同时观测同一卫星的监测站数目。

为了评估卫星被所有监测站覆盖的程度,这里定义一个衡量标准c[8],具体公式为

(1)

式中: N为格网点的数目; Ki为在第i个格网中可看到的监测站数。

地球表面对卫星的可见性与卫星对地球表面的覆盖性情况密切相关。卫星在某一时刻对地面的覆盖情况如图1所示。图中r为地球半径,r=|OM1|=|OM2|,h为卫星轨道高度,h=|SS′|,α为卫星的覆盖角,α=∠SOM1,则有:

(2)

接收仰角不同时,大气传播影响的程度也不同。假设仰角为β,则此时卫星的覆盖角为

(3)

综上,如果地面上一点A位于卫星S的覆盖范围之内,则说明S对A点可见。在实际卫星导航系统中,卫星S对A点可见是指A点能够接收到卫星S的信号所满足最小仰角的情况。

图1 单个卫星对地面覆盖示意图

1.2 北斗全球系统仿真

我国计划于2020年建成覆盖全球的卫星导航系统,当前的BDS仅能为国内及周边地区提供导航定位服务。然而,极地因为其丰富的自然资源和重要的军事战略地位,早已成为全球关注的焦点。因此,我国亟需在极地建立一套自主可控、实用性强的导航系统,以便深入认识极地并更积极地参与极地事务,从而维护在极地的利益。在研究现有导航系统在极地性能的同时,本文重点研究了北斗全球导航系统在极地的覆盖性和精度指标。

采用STK仿真全球覆盖的北斗卫星星座,包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。截止目前,北斗全球性星座普遍被设计为27颗MEO卫星+5颗GEO卫星+3颗IGSO卫星的混合星座。2016年3月30日,我国发射了第8颗IGSO卫星,表明IGSO卫星在全球卫星导航系统中不可忽视的作用。根据《北斗卫星导航系统公开服务性能规范(1.0版)》[9],MEO卫星轨道相位从Walker24/3/1星座中选择。由于我国北斗导航系统的全球化仍受限于难于境外布站,故本文提出采用24颗MEO卫星+5颗GEO+6颗IGSO卫星的卫星星座设计方案,这将有助于提高我国在高利用率和高关注度地区的导航性能。基于以上观点,本文探讨了以上两种不同的北斗全球卫星导航系统在极地地区的导航性能。

方案一(24MEO+5GEO+6IGSO):

MEO卫星轨道倾角为55°,相位从Walker24/3/1星座中选择,24颗卫星均匀分布在间隔120°的3条轨道上;5颗GEO卫星的轨道高度为 35 786 km,分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°;6颗IGSO卫星的轨道倾角为55°,分布在三个轨道面内,升交点赤经分别相差120°,星下点轨迹重合,交叉点经度为东经118°,其余3颗卫星星下点轨迹重合,交叉点经度为东经95°.考虑到在已建成的区域卫星导航系统基础上增补卫星建成全球卫星导航系统,仿真系统中的IGSO和GEO采用实测数据构建。

方案二(27MEO+5GEO+3IGSO):

MEO卫星轨道倾角为55°,相位从Walker24/3/1星座中选择,27颗卫星均匀分布在间隔120°的3条轨道上;5颗GEO卫星分布同方案一;3颗IGSO卫星的轨道倾角为55°,分布在三个轨道面内,升交点赤经分别相差120°,星下点轨迹重合,交叉点经度为东经118°.

2 基于南极科考站的仿真分析

利用STK软件模拟现有的GNSS(BDS/GPS/GLONASS),仿真北斗未来将建成的全球星座。用STK软件导入目前常用的2行卫星星历(Two-Line Element)格式数据,本文实验主要基于Celestrak网站最新发布的卫星导航.tle格式实测数据。

2.1 卫星导航系统仿真

1) 现有导航系统仿真

通过STK软件导入实测数据,在场景内可观测到GNSS的空间分布和星下点轨迹。在此基础上,运用STK/Chain模块和STK/Coverage模块分析卫星导航系统在极地的可见性和高度角变化规律。通过设定评估覆盖资源的覆盖品质参数,仿真得到观测周期GNSS在全球的GDOP分布情况。以BDS为例,得到在南极科考站的数据,如图2～图4所示。

图2 长城站BDS卫星可见数和GDOP情况

图3 昆仑站BDS卫星可见数和GDOP情况

图4 中山站BDS卫星可见数和GDOP情况

从图2～图4可看出,BDS在南极科考站的GDOP值随时间变化的幅度很大。长城站的可见卫星数大部分时段小于等于4,约占整个观测时段的76.4%;昆仑站卫星可见数均大于等于4;中山站的可见卫星数始终大于等于5,观测时段15:00-18:00内的可见数最多,基本稳定为9.综上所述,BDS在长城站不符合可用性要求,在昆仑站、中山站上基本符合可用性要求。

2) 北斗全球卫星导航系统仿真

基于现有的北斗区域导航系统仿真建设全球卫星导航系统,结合实测数据与Walker星座特点仿真得到方案一星座(24MEO+5GEO+6IGSO)和方案二星座(27MEO+5GEO+3IGSO)。仿真得到观测周期北斗全球卫星导航系统在全球的GDOP分布情况,南极上空观测结果如图5所示。

从图5看出,北斗全球卫星导航系统在南极的覆盖性能已经达到了较高的水平,科考站附近的GDOP值基本分布在1～2之间。由于极区地理位置特殊,卫星截止高度角的选择、电离层闪烁和对流层延迟等将显著影响数据解算精度。因此,北斗卫星导航系统的全球化将为极地电离层和对流层等的研究提供契机。

2.2 GNSS可见性随高度角变化规律

运用STK软件导入实测数据,模拟不同截止高度角条件下,现有卫星导航系统在极地的导航性能。将卫星截止高度角分别设置成5°、10°和15°,以中山站为例分析卫星可见性与覆盖情况。卫星截止高度角为15°时,中山站上卫星可见性和系统精度衰减数据统计分析表如下。(以BDS为例)

研究处理现有导航系统在中山站的卫星可见性、覆盖性和精度衰减数据统计分析数据得到表1所示的结果;统计分析北斗全球仿真系统在中山站的卫星可见性和覆盖性得到表2所示的结果。

图5 北斗全球导航系统在南半球的GDOP分布情况

GNSS截止高度角最小可见卫星数最小GDOP最大GDOP平均GDOP5°518617705069BDS10°322476840718915°12781258001394305°8124625231826GLONASS10°71562876209615°6174653127345°8132933651897GPS10°615317875235415°51721139823030备注：BDS数据结果中剔除了因观测条件不足GDOP值缺失的情况。

表2 中山站北斗全球导航系统可见性及GDOP分布情况

图6和表1表明,北斗卫星可见数随着截止高度角的增大明显减少,GDOP值出现大幅度增大。截止高度角为15°时,北斗卫星可见数最小,单颗MEO卫星的可见时段约占整个观测时段的27.9%,单颗IGSO卫星的可见时段约占47.09%,GEO卫星始终不可见;GPS的GDOP值随截止高度角增大而缓慢增大,截止高度角为15°时,部分时段GDOP值大于6;GLONASS的GDOP值随截止高度角变化的幅度最小,截止高度角为15°时,可见卫星数仍然大于等于6,相对稳定。

图6 中山站BDS卫星可见性(截止高度角15°)

从表1与表2可以得出,北斗卫星导航系统的全球化将显著提高我国导航系统在极地地区的导航定位精度,提供更多有效的解算数据。随着截止高度角增大,卫星可见数减少,但大部分时段的GDOP值仍然小于经验值。方案一和方案二在极地地区的导航性能总体上相当,但方案二的最小可见卫星数和GDOP值数据更优,说明合适的IGSO和MEO卫星个数才能有效改善导航系统的空间构型。相比于GPS和GLONASS,北斗全球系统在中山站的GDOP值较小,其星座构型在极地的应用更具优势。截止高度角增大时,GDOP值小于1,说明提高卫星截止高度角可以过滤部分数据质量不佳的卫星数据,在一定程度上提高极地观测数据的解算精度。

2.3 组合导航卫星系统仿真

多系统导航成为卫星导航领域新的发展方向,

当前的多星座组合导航定位已经解决多系统融合算法、时空基准转换、快速选星等技术难题,并成功运用于生产实际。目前,国际上具有代表性的多系统兼容接收机厂家主要有NovAtel公司、JAVAD公司等[10]。基于以上背景,本文仿真了组合系统在中山站的可见性,比较分析了多系统的导航性能。

通过图7、图8和表3结果可知,相比单星座系统,组合导航系统的可见卫星数成倍增长,观测站点的GDOP值变化较为稳定。GPS/BDS相比GPS减小30%;GPS与北斗全球导航系统的组合得到的GDOP值相比GPS减小约41%,相比北斗全球系统减小约25%.由此可知,可见卫星数越多,导航系统几何构型得到改善,卫星的导航能力和定位精度得到提高,可以有效避免特定纬度、极端遮挡环境等的局限性,也为卫星截止高度角的选择提供了更为广阔的空间。

图7 GPS/方案一在中山站的GDOP情况 图8 GPS/方案二在中山站的GDOP情况

GNSS最小可见卫星数最小GDOP最大GDOP平均GDOPBDS5156797194029GPS10111126041576GLONASS9115720991590方案一12105215181271方案二13105517051231GPS/BDS15091415151120GPS/方案一23081011030924GPS/方案二24081411660916

3 基于北极高纬度航道的仿真分析

为研究GNSS在北极航道的导航性能,通过在北极航道上建立相应虚拟观测站实现。北极航道由西伯利亚沿岸的“东北航道”和加拿大沿岸的“西北航道”构成。东北航道大部分航段位于俄罗斯北部沿海的北冰洋离岸海域。西北航道大部分航段位于加拿大北极群岛水域,从白令海峡出发,向东沿美国阿拉斯加北部离岸海域,穿过加拿大北极群岛,到达戴维斯海峡,通过谷歌地球获得北极航道所经海峡特征点的概略坐标。以“欧洲北部”为例,选定虚拟观测站概率位置为:北纬71°30′59″,东经25°29′54″.

运用STK软件得到观测时间段内虚拟观测站的GDOP值,计算分析现有导航系统和北斗全球系统在北极东北航道和西北航道上一天的GDOP最大值、最小值以及平均值,结果如表4和表5所示。

表4 GNSS在北极航道特征点的GDOP情况

表4示出了观测时间段内北极航道各虚拟观测站的GDOP,BDS在东北航道大部分时段可用,GDOP值偏大。GPS在白令海峡附近的GDOP值最大,虚拟观测站上的GDOP值均小于3,平均值分布在1.6附近,GDOP值较小且变化幅度不大,GPS的导航定位数据在北极满足可用性要求。GLONASS在北极航道的虚拟观测站上的GDOP值小于2.2,平均值分布在1.58附近。无论是在东北航道还是西北航道,相较于GPS和BDS,GLONASS的GDOP值更小,且随经纬度变化的变化幅度最小,在高纬度导航更具优势。

表5 北斗全球导航系统在北极航道特征点的GDOP情况

表5表明,在北极航道,北斗全球导航系统的卫星几何构型良好,满足导航需求。仿真的两种方案在北极航道的导航性能相当。相较于GPS和GLONASS,北斗全球系统在东北航道的导航性能更优,表明GEO和IGSO卫星在北斗全球系统中的重要意义,为进一步探索极地这一全球重要战略中心提供了借鉴。

4 结束语

本文运用STK软件仿真GNSS并给了一系列可用于分析的图表,得到GNSS在极地的性能分析结果如下:

1) 在不同位置的南极科考站上,GNSS导航性能存在明显差异。北斗区域导航系统在中山站的GDOP值比在长城站和昆仑站小,定位精度相对高。GPS的GDOP值相对BDS和GLONASS最小,GLONASS的GDOP值受截止高度角变化的影响最小。

2) 北斗系统的全球化在极地具备应用优势。北斗全球导航系统的GDOP值相对GPS和GLONASS小,在极地其几何构型更好,表明了GEO和IGSO卫星对于全球卫星导航系统在极地研究的具有重要意义。当截止高度角增大时,北斗全球导航系统在中山站的GDOP值甚至小于1,表明提高卫星截止高度角可以过滤部分数据质量不佳的卫星数据,在一定程度上提高数据解算精度。组合导航系统有利于改善卫星几何构型,提高导航能力和定位精度。

3) 在北极高纬度航道,GPS和GLONASS的卫星可见性和覆盖性良好,满足可用性要求。GLONASS在高纬度导航更具优势。相较于GPS和GLONASS,北斗卫星全球系统在东北航道的导航性能更优,表明GEO和IGSO卫星在北斗全球导航系统中的意义。

[1] 蔡万群,林举德.北极东北航道航海实践及常态化航行展望[J].中国水运,2016(2):21-24.

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[10] 吴清波.多系统卫星导航兼容接收机关键技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2011.

Simulation and Analysis of GNSS Performances Using STK in the Polar

ZUO Zong1，2, CHEN Mingjian1，2

(1.SchoolofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450000,China;2.BeiDouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China)

The polar region has attracted much attention of the world for its abundant natural resources and important strategic position there. The satellite navigation system can provide reliable observation datum for the real-time because it can provide precise results all the time and hardly be affected by the weather. This thesis simulates the Global Navigation Satellite System (GNSS) satellite constellations (including BDS,GPS and GLONASS) with the STK software and discusses the navigation performance of BDS in the future. Then the visibility, the coverage of constellations, the changing patterns of elevation angle and the navigation performance of GNSS are analyzed in the Antarctic Research Stations. Focusing on the Arctic channel, virtual observation stations are established to calculate the distribution of the DOP of GNSS. A deeper analysis of the navigation performance of the integrated navigation system has been done. The results show that GPS and GLONASS can basically meet the needs of polar navigation, GLONASS has a more stable navigation result in high latitude and the globalization of BDS Will provide new opportunities for polar research. With the application of integrated navigation system, the positioning accuracy of satellite navigation in the polar will improve significantly and the range of choices of the elevation mask angle will be broaden.

Satellite Tool Kit (STK); Global Navigation Satellite System (GNSS); Dilution of Precision(DOP); satellite navigation in the polar; visibility and coverage

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.007

2016-03-10

装备预研基金项目(编号:9140A24011314JB52001)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0035-07

左宗 (1993-),男,硕士生,主要研究方向为卫星导航在极地的应用分析。

陈明剑 (1976-),男,副教授,研究方向为GNSS精密单点定位及地基增强系统建设及其应用。

联系人： 左宗 E-mail: zongzuo1@163.com