徐小鈞，艾國(guó)祥，馬利華，林榮超

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于不同軌道高度iHCO通信衛(wèi)星的CAPS星座優(yōu)化研究

徐小鈞1，2，艾國(guó)祥1，馬利華1，林榮超1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于通信衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)可以利用比地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)高約200 km的傾斜高圓軌道(inclined Highly Circular Orbit，iHCO)通信衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座。結(jié)合兩種軌道高度的傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星，仿真分析了利用傾斜高圓軌道衛(wèi)星組成的中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System，CAPS)的導(dǎo)航性能，并討論了利用傾斜高圓軌道衛(wèi)星組成的中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中國(guó)區(qū)域覆蓋的最佳星座布局。

中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)；地球靜止軌道通信衛(wèi)星；傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星；導(dǎo)航星座

CN53－1189/P ISSN1672－7673

2002年11月，中國(guó)科學(xué)院的科研人員開(kāi)始研發(fā)基于地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)通信衛(wèi)星的中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System，CAPS)。2005年5～6月，建成中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)演示驗(yàn)證系統(tǒng)，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)收。該系統(tǒng)利用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)地面站發(fā)出的時(shí)頻信號(hào)和導(dǎo)航電文，用戶接收實(shí)現(xiàn)定位、測(cè)速和授時(shí)[1－3]。在日月引力等攝動(dòng)作用下，壽命末期的地球靜止軌道通信衛(wèi)星軌道傾角逐漸增大，地球靜止軌道衛(wèi)星逐漸漂移成為小傾角的傾斜地球同步軌道(Slightly Inclined Geostationary Orbit，SIGSO)衛(wèi)星，中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)利用傾斜地球同步軌道通信衛(wèi)星組建導(dǎo)航星座，實(shí)現(xiàn)了只用衛(wèi)星的三維定位。另外，傾斜地球同步軌道通信衛(wèi)星上豐富的轉(zhuǎn)發(fā)器資源可用于開(kāi)展三頻、多頻高精度導(dǎo)航的研究并支持導(dǎo)航通信一體化開(kāi)發(fā)[4－6]。近年來(lái)，為了解決衛(wèi)星軌位和頻率稀缺等問(wèn)題，中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)星座中引入傾斜高圓軌道(inclined Highly Circular Orbit，iHCO)衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍的導(dǎo)航通信覆蓋[7]。

1 傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星

將壽命末期的地球靜止軌道通信衛(wèi)星推到高于地球靜止軌道約150～300 km的傾斜高圓軌道，在此軌道內(nèi)運(yùn)行的衛(wèi)星稱為傾斜高圓軌道衛(wèi)星。傾斜高圓軌道衛(wèi)星相對(duì)地球向西漂移，約90～180 d繞地一周。圖1為高于地球靜止軌道150 km和300 km的傾斜高圓軌道衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡示意圖。傾斜高圓軌道衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)程中，不做經(jīng)度和緯度方向的控制，因此能減少星上燃料的消耗，大幅度延長(zhǎng)衛(wèi)星工作壽命。利用傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)包括①馬利華.CAPS利用iHCO衛(wèi)星技術(shù)方案[R].北京:國(guó)家天文臺(tái)CAPS技術(shù)報(bào)告，2013.:(1)沒(méi)有固定通信衛(wèi)星軌位和頻率協(xié)調(diào)問(wèn)題，空分多址，實(shí)現(xiàn)通信衛(wèi)星擴(kuò)展空間利用；(2)燃料主要用來(lái)調(diào)整衛(wèi)星對(duì)地姿態(tài)，有效降低星載燃料消耗，大幅度延長(zhǎng)衛(wèi)星工作壽命，可以實(shí)現(xiàn)通信衛(wèi)星的全壽命周期利用；(3)在日月引力攝動(dòng)作用下，衛(wèi)星傾角逐漸增大②經(jīng)姚翔.GEO棄置軌道衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[R].北京:國(guó)家天文臺(tái)CAPS技術(shù)報(bào)告，2012.，改善了中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)導(dǎo)航星座空間布局，成倍提高系統(tǒng)導(dǎo)航定位性能；(4)在全球?qū)A斜高圓軌道衛(wèi)星上行信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍的導(dǎo)航通信覆蓋；(5)衛(wèi)星工作到燃料徹底用盡，實(shí)現(xiàn)空間廢棄資源再利用。

圖1 高于地球靜止軌道高度為150 km(上)和300 km(下)的傾斜高圓軌道衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡示意圖Fig.1 The SSP(Sub-Satellite Point)trajectory of an iHCO satellite at 150km above the GEO(upper panel) and that of an iHCO satellite at 300km above the GEO(lower panel)

利用傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座涉及軌道優(yōu)選、軌位申報(bào)、通信頻率協(xié)調(diào)、全球遙測(cè)遙控等內(nèi)容。傾斜高圓軌道衛(wèi)星軌道越高，其所在區(qū)域空間碎片分布密度越低，衛(wèi)星與碎片碰撞的概率越?。煌瑫r(shí)，衛(wèi)星被推離地球靜止軌道越高，消耗燃料也越多。因此，需要優(yōu)選傾斜高圓軌道高度。文[8]分析了地球靜止軌道附近碎片分布情況，結(jié)果表明:比地球靜止軌道高100 km以上，碎片的分布密度都非常低。同時(shí)，攝動(dòng)作用會(huì)引起衛(wèi)星軌道高度發(fā)生起伏，不同軌道參數(shù)導(dǎo)致軌道高度的起伏程度也不相同。結(jié)合地球靜止軌道通信衛(wèi)星的實(shí)際狀況，衛(wèi)星操作者建議:對(duì)于早期發(fā)射的地球靜止軌道通信衛(wèi)星，傾斜高圓軌道高度可選為高于地球靜止軌道150 km；對(duì)于近期發(fā)射的地球靜止軌道通信衛(wèi)星，傾斜高圓軌道高度可選為高于地球靜止軌道300 km。本文選擇高于地球靜止軌道150 km和300 km兩個(gè)高度作為傾斜高圓軌道高度，并結(jié)合中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)星座組成，分析利用兩種軌道高度傾斜高圓軌道衛(wèi)星組成的中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)導(dǎo)航星座的性能。

2 結(jié)合傾斜高圓軌道衛(wèi)星的CAPS星座空間布局

中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)星座由軌位分別位于87.5°E和110.5°E的2顆地球靜止軌道衛(wèi)星，和軌位分別位于51.5°E、71.7°E、130°E和163°E的4顆SIGSO衛(wèi)星組成。SIGSO衛(wèi)星軌道傾角統(tǒng)一設(shè)置為3°，兩顆SIGSO衛(wèi)星過(guò)赤道的時(shí)間差取決于衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)度差③經(jīng)姚翔，張?jiān)仆?地球同步衛(wèi)星軌道相位分析[R].北京:國(guó)家天文臺(tái)CAPS技術(shù)報(bào)告，2009.。赤道面內(nèi)3顆均勻分布的傾斜高圓軌道衛(wèi)星可以覆蓋全球，仿真中采用6顆傾斜高圓軌道衛(wèi)星參與中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)星座組成。其中3顆傾斜高圓軌道衛(wèi)星等間隔分布在高于地球靜止軌道150 km的圓軌道上(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為150 km傾斜高圓軌道)，另外3顆傾斜高圓軌道衛(wèi)星等間隔分布在高于地球靜止軌道300 km的圓軌道上(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為300 km傾斜高圓軌道)。傾斜高圓軌道衛(wèi)星軌道傾角統(tǒng)一設(shè)置為10°。根據(jù)傾斜高圓軌道衛(wèi)星入軌位置不同，表1給出了12種星座組合。在仿真分析起始時(shí)刻，3顆150 km傾斜高圓軌道衛(wèi)星和3顆300 km傾斜高圓軌道衛(wèi)星的升交點(diǎn)經(jīng)度相同?？紤]到150 km傾斜高圓軌道衛(wèi)星相對(duì)地球漂移的速度是1.92°/d，而300 km傾斜高圓軌道衛(wèi)星相對(duì)地球漂移的速度是3.84°/d，在同一軌道高度上相鄰兩顆傾斜高圓軌道衛(wèi)星的升交點(diǎn)經(jīng)度的差值為120°，因此，綜合分析星座性能的時(shí)間段至少為63 d。

表1 傾斜高圓軌道衛(wèi)星入軌時(shí)的升交點(diǎn)經(jīng)度Table 1 The longitudes of the ascending nodes of the chosen iHCO satellites

3 結(jié)合傾斜高圓軌道衛(wèi)星的CAPS導(dǎo)航星座分析

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位精度主要取決于星座空間布局和測(cè)距誤差。通常使用精度衰減因子(Dilution of Precision，DOP)描述星座空間布局的優(yōu)劣，精度衰減因子數(shù)值越小，表明星座布局越好。由于三維位置精度衰減因子PDOP可直接用于標(biāo)定星座覆蓋區(qū)域、分析星座可用性和用戶三維定位精度等，所以位置精度衰減因子常被作為評(píng)價(jià)星座空間布局優(yōu)劣的空間構(gòu)圖指標(biāo)。本文利用STK軟件分析了結(jié)合傾斜高圓軌道衛(wèi)星的中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)導(dǎo)航星座布局。STK是Satellite Tool Kit的簡(jiǎn)稱，該軟件是由美國(guó)Analytical Graphics公司開(kāi)發(fā)的一款在航天領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的商業(yè)分析軟件，支持包括設(shè)計(jì)、測(cè)試、發(fā)射、運(yùn)行和任務(wù)應(yīng)用等航天任務(wù)的全過(guò)程[9－10]。

本文從中國(guó)東部、西部、南部、北部和中部分別選取北京、上海、漠河、長(zhǎng)春、臺(tái)北、三亞、昆明、拉薩、喀什、烏魯木齊、酒泉和西安等12個(gè)地點(diǎn)作為測(cè)站，并設(shè)置觀測(cè)站的截止高度角為10°，分析時(shí)段取為120 d，步長(zhǎng)5 min。分別計(jì)算12個(gè)測(cè)站在上述12種星座組合下位置精度衰減因子最大值、最小值和平均值，并繪于圖2中。

可見(jiàn)，12個(gè)測(cè)站在不同的星座組合下的位置精度衰減因子最小值和平均值幾乎無(wú)變化，分別處于6和10左右；位置精度衰減因子最大值起伏則分布于25到70之間。漠河測(cè)站在所有星座組合中位置精度衰減因子最大值均保持較大數(shù)值。

不同星座組合下測(cè)站位置精度衰減因子最小值和平均值變化較小的主要原因是:在地心地固坐標(biāo)系下，傾斜高圓軌道星座的運(yùn)行周期為62.5 d，分析時(shí)段120 d則接近兩個(gè)周期，所以在該分析時(shí)段內(nèi)不同的星座組合的平均效果基本相同。因此，此時(shí)衡量星座布局優(yōu)劣，應(yīng)該側(cè)重該時(shí)間段內(nèi)位置精度衰減因子最大值。星座5在120 d內(nèi)的位置精度衰減因子最大值較小，所以星座5是最優(yōu)星座。當(dāng)150 km傾斜高圓軌道衛(wèi)星和300 km傾斜高圓軌道衛(wèi)星的升交點(diǎn)經(jīng)度重合時(shí)，測(cè)站觀測(cè)到的同經(jīng)度兩顆衛(wèi)星的夾角非常小，此時(shí)星座布局最差。由于中國(guó)經(jīng)度范圍約為73°E至135°E，恰好避開(kāi)星座5出現(xiàn)布局最差的弧段，相反的，不同軌道高度傾斜高圓軌道衛(wèi)星夾角較大時(shí)段持續(xù)最長(zhǎng)，所以星座5在中國(guó)區(qū)域上空呈現(xiàn)出最佳效果。12個(gè)測(cè)站在該組合下的位置精度衰減因子最大值的平均值約為32。另外，漠河和長(zhǎng)春測(cè)站由于緯度較高，兩站衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)目較少，導(dǎo)致星座布局差，位置精度衰減因子最大值也較大。上述12種星座中，除長(zhǎng)春和漠河外，位置精度衰減因子最大值有相同變化趨勢(shì)。主要原因是:星座5是最優(yōu)星座，位置精度衰減因子最大值最??；而星座11中在中國(guó)區(qū)域可見(jiàn)傾斜高圓軌道衛(wèi)星數(shù)目最少，星座布局差，位置精度衰減因子最大值也最大。所以，除長(zhǎng)春和漠河外的中低緯度測(cè)站的位置精度衰減因子最大值都呈現(xiàn)出星座5出現(xiàn)最小值、星座11出現(xiàn)最大值的相同變化趨勢(shì)。

圖2 12個(gè)測(cè)站在12種傾斜高圓軌道星座組合情況下的位置精度衰減因子最大值、最小值和平均值Fig.2 Maximum，minimum，and mean PDOP values at 12 stations within 120 days for the 12 iHCO satellite configurations

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析不同測(cè)站在利用兩種高度的傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星組成的中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)導(dǎo)航星座的位置精度衰減因子值，優(yōu)選了利用傾斜高圓軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)中國(guó)區(qū)域覆蓋的最佳星座布局。當(dāng)軌道高度為150 km和300 km的傾斜高圓軌道衛(wèi)星入軌時(shí)星下點(diǎn)經(jīng)度分別為40°E、160°E、80°W時(shí)，星座布局最佳。中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)短精碼偽距測(cè)量誤差σ0約為0.3 m，12個(gè)測(cè)站在最優(yōu)星座5的情況下位置精度衰減因子最大值的平均值約為32，由于三維定位精度Mp＝PDOP·σ0，所以該星座可以實(shí)現(xiàn)約10 m的定位精度。本文研究結(jié)果可為中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)利用傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星組建導(dǎo)航星座的工程實(shí)現(xiàn)提供參考。結(jié)合全球定位系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)，可以進(jìn)一步提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能。

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A Study of Optimization of a CAPS Constellation of iHCO Communication Satellites of Different Orbit Heights

Xu Xiaojun1，2，Ai Guoxiang1，Ma Lihua1，Lin Rongchao1，2
(1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，Email:mlh＠nao.cas.cn；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

The Chinese Area Positioning System(CAPS)is a satellite positioning system based on communication satellites.A set of inclined Highly Circular Orbit(iHCO)satellites，which are on orbits about 200 km above the Geostationary Earth Orbit(GEO)，can be among the CAPS navigation constellation.In this paper we present simulations of a CAPS navigation constellation consisting of iHCO communication satellites of different orbit heights.We analyze the performance of the constellation using the simulation results and find the optimized scheme of the CAPS system covering China.

Chinese Area Positioning System(CAPS)；Geostationary Earth Orbit(GEO)；inclined Highly Circular Orbit(iHCO)；Navigation constellation

P228.4

A

1672－7673(2014)04－0350－06

2013－12－25；

2014－01－20

徐小鈞，女，碩士研究生.研究方向:導(dǎo)航星座優(yōu)化.Email:xuxiaojun12＠m(xù)ails.ucas.ac.cn

馬利華，男，研究員.研究方向:星座優(yōu)化、高精度導(dǎo)航與應(yīng)用天文學(xué).Email:mlh＠nao.cas.cn