孫江艷,胡彩波,楊茂和,孫文龍

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

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導(dǎo)航星座異構(gòu)擴(kuò)展對(duì)系統(tǒng)服務(wù)性能的影響

孫江艷,胡彩波,楊茂和,孫文龍

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

本文分析“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前所采用的三種衛(wèi)星混合組網(wǎng)的星座現(xiàn)狀,通過(guò)設(shè)計(jì)擴(kuò)展不同類(lèi)型、不同數(shù)量的衛(wèi)星,利用STK仿真軟件,對(duì)所選重點(diǎn)區(qū)域和擴(kuò)展區(qū)域的重要服務(wù)性能,如幾何精度因子(GDOP)和可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)行仿真,進(jìn)而綜合得出不同導(dǎo)航星座異構(gòu)擴(kuò)展對(duì)系統(tǒng)服務(wù)性能的影響情況。分析結(jié)果表明, IGSO衛(wèi)星對(duì)增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域服務(wù)性能的提高具備更好的條件。根據(jù)“一帶一路”非洲沿線國(guó)家重點(diǎn)城市的分布特點(diǎn),進(jìn)一步對(duì)星座異構(gòu)擴(kuò)展數(shù)量和在軌位置進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),為有限條件下星座擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)服務(wù)性能最大化改善提供參考。

“一帶一路”;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);STK;GDOP值;可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)

0 引 言

“海上絲綢之路”是中國(guó)與沿線國(guó)家深化經(jīng)貿(mào)合作、完善基礎(chǔ)設(shè)施、加強(qiáng)相互溝通、擴(kuò)大文化交流的經(jīng)貿(mào)合作之路[1],是新興經(jīng)濟(jì)體合作與發(fā)展的重要戰(zhàn)略平臺(tái)[2]。建設(shè)“21世紀(jì)海上絲綢之路”是中國(guó)的重大戰(zhàn)略。2015年中國(guó)海外港口建設(shè)高潮迭起,從巴基斯坦瓜達(dá)爾港移交中國(guó)開(kāi)始,吉布提港、也門(mén)亞丁港、斯里蘭卡科倫坡港等積極參與“一帶一路”沿線合作[3]。建設(shè)海上絲綢之路面臨諸多挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn),領(lǐng)土爭(zhēng)端、恐怖主義、自然災(zāi)害、勞資糾紛等問(wèn)題難以預(yù)判和控制。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為增強(qiáng)武器效能、維護(hù)國(guó)家安全的根本命脈,正在積極增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè),在國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略中為海上絲綢之路保駕護(hù)航發(fā)揮至關(guān)重要的作用。因此,在2020年左右全球服務(wù)能力實(shí)現(xiàn)之前,對(duì)“一帶一路”沿線國(guó)家的區(qū)域服務(wù)能力亟待提高。

對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)說(shuō),影響其服務(wù)性能的關(guān)鍵指標(biāo)包括精度、連續(xù)性、可用性、完好性、可靠性[4]。對(duì)于用戶(hù)的實(shí)際使用來(lái)說(shuō),涉及到用戶(hù)使用精度的是兩個(gè)指標(biāo),URE和DOP,其中URE是衛(wèi)星空間信號(hào)精度,DOP值為精度因子代表星座構(gòu)型,即用戶(hù)可視衛(wèi)星的幾何布局,反映了由于觀測(cè)衛(wèi)星與接收機(jī)空間幾何布局的影響造成的偽距誤差與用戶(hù)位置誤差間的比例系數(shù),是評(píng)估用戶(hù)位置精度的重要指標(biāo)。導(dǎo)航星座性能一直是星座設(shè)計(jì)者和導(dǎo)航用戶(hù)比較關(guān)注的問(wèn)題,它對(duì)于軍/民用飛行器、信息化武器裝備等重要用戶(hù)平臺(tái)的安全性和使用有效性有著直接影響[5]?？梢曅l(wèi)星幾何分布越好,DOP值就越小,而在同等用戶(hù)等效距離誤差下,DOP值越小,代表星座分布結(jié)構(gòu)越好,定位精度就越高[6]。

1 現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座構(gòu)型

對(duì)于軌道設(shè)計(jì)和控制,在實(shí)際衛(wèi)星發(fā)射之前開(kāi)展仿真分析、理論計(jì)算,有助于確認(rèn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)性能的最佳星座構(gòu)成,數(shù)字仿真技術(shù)是最佳仿真手段選擇,它具有計(jì)算精度高、適應(yīng)范圍廣、通用性好等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)得好的商業(yè)軟件可以滿(mǎn)足軌道設(shè)計(jì)的主要需求。在目前主流的商業(yè)軌道仿真軟件中,STK軟件在航天領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。運(yùn)用STK對(duì)星座構(gòu)型進(jìn)行分析,結(jié)果一目了然,從而檢驗(yàn)優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)星座的質(zhì)量[7]。

作為“一帶一路”上的非洲支點(diǎn),東非版塊諸多城市成為經(jīng)濟(jì)特區(qū)已進(jìn)入緊張建設(shè)階段,擴(kuò)充星座覆蓋沿線城市進(jìn)行有效分析、提升服務(wù)精度很有必要,因此本文選擇仿真的擴(kuò)展區(qū)域設(shè)置為-10°～55°N,35°～135°E,限制最小仰角為5°,因?yàn)镸EO衛(wèi)星的回歸周期為7天,因此這里選擇仿真時(shí)間為7天。區(qū)域內(nèi)分辨率設(shè)置為L(zhǎng)at/Lon,其數(shù)值設(shè)置為1°.

增加衛(wèi)星是提高精度實(shí)現(xiàn)服務(wù)性能增強(qiáng)的重要方式,為降低成本避免資源浪費(fèi),對(duì)衛(wèi)星種類(lèi)、數(shù)量和在軌位置的選擇和設(shè)計(jì)尤為重要,有必要做出分析和優(yōu)化。目前北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)采用了GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星3種不同軌道高度衛(wèi)星組成的混合星座,在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)中,星座設(shè)計(jì)為5+5+4模式,即由5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星、4顆MEO衛(wèi)星組成。如圖1所示為7天內(nèi)不同衛(wèi)星對(duì)目前的重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域(10°～55°N,70°～135°E)覆蓋的可視時(shí)間分布。

圖1 不同衛(wèi)星對(duì)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)的可視時(shí)間分布

結(jié)果顯示MEO衛(wèi)星對(duì)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)的可視時(shí)間比GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星短,因此,這里不討論增加MEO衛(wèi)星,由于軌位資源的限制,本文主要就增加IGSO衛(wèi)星的數(shù)量和在軌位置進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)星座優(yōu)化。

2 星座擴(kuò)充性能分析

2.1 增加1顆IGSO衛(wèi)星

當(dāng)衛(wèi)星處在軌道上任一點(diǎn)時(shí),衛(wèi)星的在軌位置便取決于真近點(diǎn)角[8]。以真近點(diǎn)角作為參數(shù),30°為增幅,得出1組不同真近點(diǎn)角的衛(wèi)星在軌位置數(shù)據(jù),分別對(duì)所擴(kuò)展區(qū)域和重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域的GDOP值進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。

圖2 區(qū)域平均GDOP值隨真近點(diǎn)角的變化情況

分析顯示擴(kuò)展區(qū)域和重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域的平均GDOP值隨衛(wèi)星真近點(diǎn)角的變化趨勢(shì)基本相同。軌道1的衛(wèi)星最佳真近點(diǎn)角范圍在330°～360°之間,通過(guò)篩選不斷縮小分析范圍,最終確定最佳在軌位置增加衛(wèi)星,既保證了重點(diǎn)服務(wù)區(qū)的服務(wù)能力不受影響甚至改善的同時(shí),大大增強(qiáng)了對(duì)東非區(qū)域的系統(tǒng)服務(wù)性能。如圖3所示。

圖3 擴(kuò)展區(qū)域GDOP值分布情況(a)5+5+4模式;(b)增加1顆IGSO衛(wèi)星

不同軌道增加IGSO衛(wèi)星選擇最優(yōu)在軌位置的方法類(lèi)似,但是不同軌道衛(wèi)星最優(yōu)在軌位置有很大不同如圖4所示。

圖4 不同軌道衛(wèi)星各自在軌位置對(duì)區(qū)域GDOP值的變化趨勢(shì)

2.2 增加2顆IGSO衛(wèi)星

不同軌道分別增加1顆IGSO衛(wèi)星,劃分軌位得出兩組不同真近點(diǎn)角,通過(guò)排列組合篩選出最優(yōu)在軌位置。圖5所示為增加2顆最優(yōu)軌位IGSO衛(wèi)星后星座對(duì)擴(kuò)展區(qū)域的平均GDOP值分布情

圖5 增加2顆IGSO衛(wèi)星后對(duì)擴(kuò)展區(qū)域GDOP值的分布情況

況,結(jié)果顯示擴(kuò)展后星座不僅對(duì)我國(guó)境內(nèi)西部地區(qū)的服務(wù)性能明顯提升,尤其對(duì)東非區(qū)域有了極大改善,完全實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)對(duì)“一帶一路”上非洲“支點(diǎn)”服務(wù)的目標(biāo)。

3 重要城市服務(wù)性能分析

GDOP是綜合的幾何精度因子,GDOP越大,精度越差。由于衛(wèi)星是運(yùn)行的,對(duì)覆蓋區(qū)的幾何關(guān)系均不一樣,因此不同地區(qū)的精度也有差異。[9]選取北京、三亞、喀什、吉布提港和瓜達(dá)爾港等重要位置的城市進(jìn)行仿真分析,不同星座模式下各城市的平均GDOP值和衛(wèi)星可視情況如表1、表2所示。

表1 不同城市平均GDOP值統(tǒng)計(jì)

表2 不同城市最少可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計(jì)

綜上結(jié)果分析,增加衛(wèi)星時(shí)選擇最佳在軌位置不僅對(duì)我國(guó)境內(nèi)城市的服務(wù)性能有提升,尤其對(duì)非洲支點(diǎn)的吉布提和瓜達(dá)爾等重要城市更有顯著改善。

選擇最優(yōu)軌位增加2顆IGSO衛(wèi)星,對(duì)北京和吉布提一周內(nèi)平均GDOP值變化情況統(tǒng)計(jì),如圖6、圖7所示。

圖6 增加2顆IGSO衛(wèi)星對(duì)北京的平均GDOP值變化情況統(tǒng)計(jì)

圖7 增加2顆IGSO衛(wèi)星對(duì)吉布提的平均GDOP值變化情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在“一帶一路”背景下展開(kāi)星座擴(kuò)充研究,從衛(wèi)星的種類(lèi)、數(shù)量和在軌位置進(jìn)行分析和優(yōu)化,在不影響甚至增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)服務(wù)性能的同時(shí),實(shí)現(xiàn)“一帶一路”下的東非重要港口城市的衛(wèi)星覆蓋和系統(tǒng)服務(wù)能力。

1) 有限的軌位資源、星下點(diǎn)運(yùn)行軌跡的不同,使GEO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星不具備增強(qiáng)擴(kuò)展區(qū)域系統(tǒng)服務(wù)性能的最優(yōu)條件,因此首選IGSO衛(wèi)星增強(qiáng)擴(kuò)展區(qū)域系統(tǒng)服務(wù)能力;

2) 在設(shè)定的軌道增加IGSO衛(wèi)星時(shí),不同在軌位置對(duì)分析區(qū)域的平均GDOP值分布有很大不同,選取不同真近點(diǎn)角分析得出指定軌道的最優(yōu)在軌位置,不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域的系統(tǒng)服務(wù)性能提升,同時(shí)大大提高擴(kuò)展區(qū)域即東非版塊的服務(wù)能力,為有限條件下星座擴(kuò)充實(shí)現(xiàn)服務(wù)性能最大化改善提供參考。

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[9] 譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010(7):67-69.

The Effect of Constellation Expansion on System Service Performance

SUN Jiangyan,HU Caibo,YANG Maohe,SUN Wenlong

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing,100094China)

The current situation of the three kinds of satellite hybrid networks of No.2 Beidou regional satellite navigation system is discussed in this paper. Through the expansion design of the style and number of different satellites,the important service performance of the selected important area and enlarged area such as Geometric Dilution Of Precision(GDOP) and N Asset Coverage is simulated using the STK software. The acquired analysis results show IGSO satellite has better conditions for enhancing system to improve regional service performance. According to the distribution characteristics of the key city along “The Belt and Road” in African countries, further optimization and improvement about the number and location in orbit of constellation expansion is executed and provide reference for constellation expansion to realize the maximum of service performance under limited conditions.

′The Belt and Road Initiative′; BeiDou regional satellite navigation system; STK; GDOP; n asset coverage

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.001

2017-01-15

TP 228.4

A

1008-9268(2017)02-0001-05

孫江艷 (1985-),女,助理工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究。

胡彩波 (1978-),男,高級(jí)工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究。

楊茂和 (1975-),男,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究。

孫文龍 (1988-),男,助理工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究。

聯(lián)系人: 孫江艷E-mail: sjy7297@126.com