呂志成,李崢嶸,牟衛(wèi)華,黃 龍,歐 鋼
(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)
提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)面臨的一項(xiàng)重要課題,區(qū)域?qū)Ш叫盘?hào)功率增強(qiáng)技術(shù)可以在系統(tǒng)層面有效提升整個(gè)系統(tǒng)的干擾對(duì)抗能力,是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在升級(jí)和建設(shè)中面臨的新的研究課題。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功率增強(qiáng)技術(shù)是美國GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,表 1給出了不同時(shí)期GPS信號(hào)功率增強(qiáng)技術(shù)狀態(tài)變化情況[1]。GPS IIRM/IIF衛(wèi)星具有靈活的在軌可編程能力,通過改進(jìn)載荷平臺(tái)性能和對(duì)下行導(dǎo)航信號(hào)功率重分配,使授權(quán)P碼信號(hào)功率增強(qiáng)5~7 dB;新一代的GPS Ⅲ衛(wèi)星增加了點(diǎn)波束發(fā)射天線,可將L1、L2頻段M碼信號(hào)功率提高20 dB,使用戶機(jī)接收信號(hào)功率達(dá)到-138 dBW,功率增強(qiáng)覆蓋能力達(dá)到全球區(qū)域1 000~1 400 km直徑范圍,可以為用戶提供高功率、強(qiáng)方向性的信號(hào),從而有效提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力[2]。關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功率增強(qiáng)技術(shù),除衛(wèi)星功率增強(qiáng)載荷實(shí)現(xiàn)技術(shù)外,還包括功率增強(qiáng)幅度、功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量及空間分布、功率增強(qiáng)頻點(diǎn)選擇以及功率增強(qiáng)控制策略等諸多系統(tǒng)層面的問題需要解決[3-6]。不同于傳統(tǒng)的以星座構(gòu)型為優(yōu)化目標(biāo)的星座設(shè)計(jì)[7-8],本文以GPS為例,研究在確定的星座構(gòu)型基礎(chǔ)上,面向不同覆蓋目標(biāo)的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析方法。
表1 GPS信號(hào)功率增強(qiáng)技術(shù)狀態(tài)變化情況
基于衛(wèi)星數(shù)最少準(zhǔn)則的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的前提下,選取具有最少衛(wèi)星數(shù)量和最優(yōu)服務(wù)性能的功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合作為最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座[9]。其中,最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座包含兩個(gè)層面的含義:
1)在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的條件下,功率增強(qiáng)子星座的衛(wèi)星數(shù)量最少;
2)在功率增強(qiáng)子星座衛(wèi)星數(shù)最少條件下,功率增強(qiáng)子星座具有最優(yōu)的服務(wù)性能。
基于衛(wèi)星數(shù)最少準(zhǔn)則的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖 1所示,具體包括以下步驟。
步驟1:建立優(yōu)化模型。將實(shí)際設(shè)計(jì)問題的物理模型抽象為數(shù)學(xué)模型,根據(jù)問題域的特征確定待優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù),并給出約束條件和評(píng)價(jià)函數(shù)。其中,目標(biāo)函數(shù)建立了待優(yōu)化設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)問題的最優(yōu)指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系式;約束條件既可以是對(duì)設(shè)計(jì)變量的約束,也可以是對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的約束;評(píng)價(jià)函數(shù)用于比較各可行解的優(yōu)劣關(guān)系。
步驟2:可行解搜索。遍歷所有可能的功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合,分析每種組合條件下功率增強(qiáng)目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航服務(wù)性能是否滿足約束條件,最終得到一個(gè)由功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)最小且滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合構(gòu)成可行解集合。
步驟3:最優(yōu)解決策。對(duì)可行解集合中所有功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合的性能優(yōu)劣性做出判斷,最終決策出一組性能最優(yōu)的功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合作為工程備選方案。
步驟4:最優(yōu)解性能分析。在優(yōu)選出的最優(yōu)功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合條件下,采用仿真分析的方法對(duì)功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合的實(shí)際覆蓋性能進(jìn)行分析評(píng)估,為決策者提供依據(jù)。
圖1 功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)流程示意圖Fig.1 Optimal design process of power enhanced sub-constellation
功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的優(yōu)化參數(shù)為一組功率增強(qiáng)衛(wèi)星集合,記為:
X={(xl1,xl2,…,xlNE)|xli∈S,1≤i≤NE,1≤li≤N}
(1)
其中,NE為功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量,S為全球星座所有衛(wèi)星的集合,N為S中的衛(wèi)星總數(shù)?;谛l(wèi)星數(shù)最少準(zhǔn)則的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的衛(wèi)星組合集合中,選擇衛(wèi)星數(shù)最少并且服務(wù)性能最優(yōu)的功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合Xopt,實(shí)現(xiàn)費(fèi)用與性能的綜合最優(yōu)??梢姡β试鰪?qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問題,優(yōu)化目標(biāo)均為優(yōu)化參數(shù)的函數(shù)。
根據(jù)功率增強(qiáng)子星座的設(shè)計(jì)要求,可以給出功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型:
minY(X)=(fnumber(X),fAGDOP(X))
(2)
其中:Y(X)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),表示功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合;fcover(X)、favail(X)和fcontinue(X)稱為等式約束條件,分別表示對(duì)于功率增強(qiáng)目標(biāo)點(diǎn)或區(qū)域來說功率增強(qiáng)星座滿足最小覆蓋重?cái)?shù)要求Cmin的時(shí)間百分比(即覆蓋性)、滿足GDOP門限Gmax要求的時(shí)間百分比(即可用性)和滿足導(dǎo)航服務(wù)性能要求的時(shí)間百分比(即連續(xù)性);fnumber(X)、fAGDOP(X)既是不等式約束條件也是優(yōu)化目標(biāo),分別表示功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)量和功率增強(qiáng)星座平均GDOP值;X?S稱為邊界條件,表示功率增強(qiáng)子星座是全球星座的子集。
目前,功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)問題還無法通過解析方法進(jìn)行求解,采用搜索方法求解最優(yōu)功率增強(qiáng)衛(wèi)星組合:首先采用二分搜索法確定最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座衛(wèi)星總數(shù)NE,接著采用遍歷搜索法搜索所有由NE顆衛(wèi)星構(gòu)成的組合得到可行解集合A,最后根據(jù)性能最優(yōu)準(zhǔn)則從可行解集合A中決策出唯一最優(yōu)解Xopt。
(3)
C={fAGDOP(X)|X∈A}
(4)
可見,功率增強(qiáng)子星座可行解集合中的所有元素均滿足fcost(X)的最小化優(yōu)化目標(biāo)。進(jìn)一步在可行解集合A中選擇精度評(píng)價(jià)函數(shù)fAGDOP(X)取值最小的衛(wèi)星組合,即為功率增強(qiáng)子星座最優(yōu)解,記為Xopt,滿足:
Xopt={X|X∈A,fAGDOP(X)=minfAGDOP(C)}
(5)
式中,minfAGDOP(C)表示取精度評(píng)價(jià)集合C中的最小值。
功率增強(qiáng)的應(yīng)用需求一般針對(duì)特定目標(biāo)區(qū)域提出,在功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中通常以目標(biāo)區(qū)域的服務(wù)性能作為設(shè)計(jì)依據(jù)和優(yōu)化目標(biāo),據(jù)此決策得到的最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座能達(dá)到對(duì)目標(biāo)區(qū)域的最優(yōu)覆蓋性能。
借鑒星座性能分析中常用的球面格網(wǎng)分析法[10],提出基于功率增強(qiáng)子星座可用性水平和功率增強(qiáng)子星座精度水平的功率增強(qiáng)子星座性能評(píng)估方法。
格網(wǎng)點(diǎn)的可用性水平定義為格網(wǎng)點(diǎn)在仿真時(shí)段內(nèi)滿足可用性指標(biāo)要求的觀測(cè)歷元總數(shù)與總仿真歷元數(shù)的比值,記為:
(6)
式中:m表示格網(wǎng)點(diǎn);N為觀測(cè)歷元總數(shù);F(nΔT,m)為格網(wǎng)點(diǎn)m在觀測(cè)歷元n時(shí)刻的可用性標(biāo)志,取值如式(7)所示。
(7)
根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)可用性水平的不同,可將所有格網(wǎng)點(diǎn)劃分為三類:如果存在部分觀測(cè)歷元滿足可用性指標(biāo)要求,即0 功率增強(qiáng)子星座可用性水平可以從可用性覆蓋水平和可用性服務(wù)水平兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。 功率增強(qiáng)子星座的可用性覆蓋水平定義為全球范圍內(nèi)可用格網(wǎng)點(diǎn)占總格網(wǎng)點(diǎn)的百分比,反映了功率增強(qiáng)子星座對(duì)全球區(qū)域的覆蓋能力,表示為: (8) 式中:M為全球格網(wǎng)點(diǎn)總數(shù);U(m)表示格網(wǎng)點(diǎn)m處的可用性標(biāo)志。 對(duì)于部分時(shí)段可用性覆蓋水平,U(m)可取值為: (9) 對(duì)于全時(shí)段可用性覆蓋水平,U(m)可取值為: (10) 功率增強(qiáng)子星座的可用性服務(wù)水平定義為具有不同可用性水平的格網(wǎng)點(diǎn)在總可用格網(wǎng)點(diǎn)中所占的比重,反映了功率增強(qiáng)子星座為可用格網(wǎng)點(diǎn)提供服務(wù)的水平,表示為: favail,level(x)= (11) 在分析過程中,可將可用性水平劃分為不同等級(jí),將可用性水平等間隔劃分為10個(gè)等級(jí),如表2所示。 表2 格網(wǎng)點(diǎn)可用性水平等級(jí)劃分 功率增強(qiáng)子星座的精度水平定義為具有不同精度水平的格網(wǎng)點(diǎn)占全球范圍總格網(wǎng)點(diǎn)的百分比,記為: fGDOP,level(x)= (12) 式中:LGDOP(m)表示格網(wǎng)點(diǎn)m處的平均GDOP值(當(dāng)格網(wǎng)點(diǎn)存在G>148或可用衛(wèi)星數(shù)小于4的觀測(cè)歷元時(shí),稱其為不可定位格網(wǎng)點(diǎn),記LGDOP(m)=0);LGDOP,min和LGDOP,max分別為精度水平等級(jí)的下邊界和上邊界。 精度水平反映了功率增強(qiáng)子星座在全球區(qū)域提供不同等級(jí)導(dǎo)航服務(wù)的能力。在分析過程中,可將精度水平劃分為12個(gè)等級(jí),如表 3所示[11]。 表3 格網(wǎng)點(diǎn)精度水平等級(jí)劃分 功率增強(qiáng)信號(hào)覆蓋范圍是指,功率增強(qiáng)信號(hào)波束指向在可調(diào)整范圍內(nèi)遍歷時(shí),被功率增強(qiáng)信號(hào)覆蓋且滿足性能指標(biāo)要求的區(qū)域構(gòu)成的集合。位于點(diǎn)波束信號(hào)覆蓋區(qū)內(nèi)的任意目標(biāo)均可稱為被該點(diǎn)波束信號(hào)1重覆蓋。功率增強(qiáng)覆蓋范圍的大小是影響功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的另一個(gè)重要因素。 功率增強(qiáng)子星座本質(zhì)上是全球星座的一個(gè)子集,因此功率增強(qiáng)子星座與全球星座的衛(wèi)星組成、星座構(gòu)型等因素密切相關(guān)。美國GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星構(gòu)成,分別位于沿赤道以60°間隔均勻分布的6個(gè)軌道平面,每個(gè)軌道分布4顆衛(wèi)星,軌道高度約為20 182 km,軌道傾角為55°,可為全球用戶提供連續(xù)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)[12]。 在全球范圍內(nèi),經(jīng)度間隔30°,緯度間隔15°,共選取144個(gè)特征點(diǎn),分別搜索覆蓋每個(gè)特征點(diǎn)的最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座,圖 2給出了GPS在各特征點(diǎn)處的最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座衛(wèi)星數(shù)量分布情況。從圖2中可以看到,GPS最優(yōu)功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)在12~17之間,在-15°~15°緯度帶功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)較少,在中緯度地區(qū)功率增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)較多。表 4給出了GPS覆蓋部分點(diǎn)目標(biāo)的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,其中Mij表示第i個(gè)軌道平面的第j顆衛(wèi)星。 圖2 GPS最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座衛(wèi)星數(shù)全球分布衛(wèi)星數(shù)Fig.2 Global distribution of satellite number of GPS optimal power enhanced sub-constellation 表4 GPS覆蓋點(diǎn)目標(biāo)的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 本節(jié)針對(duì)不同的區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì),并討論功率增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域不同對(duì)功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。 選取以下三個(gè)區(qū)域分別作為功率增強(qiáng)目標(biāo): 1)區(qū)域Ⅰ:范圍為(100°E~120°E,10°N~25°N),包括我國部分沿海城市和島嶼,約占全球面積0.51%。 2)區(qū)域Ⅱ:范圍為(60°E~145°E,0°N~55°N),包括我國領(lǐng)土及其周邊區(qū)域在內(nèi)的亞太地區(qū),約占全球面積7.37%。 3)區(qū)域Ⅲ:全球區(qū)域。 表 5給出了截止角為5°、最少4重覆蓋且可用性門限Gmax=6條件下,仿真24 h GPS全球星座對(duì)三個(gè)目標(biāo)區(qū)域的服務(wù)性能的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,也可以認(rèn)為是在全球星座所有衛(wèi)星均為功率增強(qiáng)衛(wèi)星時(shí)功率增強(qiáng)子星座所能達(dá)到的最優(yōu)性能。 3.2.1 覆蓋區(qū)域Ⅰ的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 表 6給出了GPS覆蓋Ⅰ區(qū)域的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。可以看到,GPS需要18顆功率增強(qiáng)衛(wèi)星,平均分布在6個(gè)軌道平面上,平均GDOP值為2.65。 表5 GPS全球星座對(duì)各目標(biāo)區(qū)域的服務(wù)性能 表6 覆蓋區(qū)域Ⅰ的GPS功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 覆蓋區(qū)域Ⅰ的GPS最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座性能評(píng)估結(jié)果如圖3所示。從最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座對(duì)全球區(qū)域的服務(wù)性能來看,GPS全時(shí)段和部分時(shí)段可用格網(wǎng)百分比分別為45.28%和54.72%,其中可用性水平在90%~100%的格網(wǎng)占全部可用格網(wǎng)比達(dá)到87%(見圖 3(a)),覆蓋全球范圍(見圖 3(b)),精度水平等級(jí)在3~6之間,不可定位(即精度水平等級(jí)12)格網(wǎng)小于10%(見圖 3(c)和圖3(d))。 (a) 可用性水平等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(a) Statistical results of availability level (b) 全球可用性水平分布(b) Global availability level distribution (c) 精度水平等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(c) Statistical results of accuracy level (d) 全球平均GDOP值分布(d) Global average GDOP distribution圖3 覆蓋區(qū)域Ⅰ的GPS最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座性能評(píng)估結(jié)果Fig.3 Performance evaluation results of GPS optimal power enhanced sub-constellation for covering area Ⅰ 分析表明,對(duì)于覆蓋區(qū)域Ⅰ的最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座,GPS的中軌道(MEdium Orbit, MEO)衛(wèi)星存在觀測(cè)弧段的問題,因此需要較多的衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的連續(xù)覆蓋。除可對(duì)區(qū)域Ⅰ提供滿足精度要求的導(dǎo)航服務(wù)外,對(duì)全球超過90%的地區(qū)同樣可提供具備一定精度水平的導(dǎo)航服務(wù)。 3.2.2 覆蓋區(qū)域Ⅱ的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 表7給出了GPS覆蓋區(qū)域Ⅱ的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。可以看到,GPS需要全部24顆衛(wèi)星都具備功率增強(qiáng)能力,平均GDOP值為2.01。 表7 覆蓋區(qū)域Ⅱ的GPS功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 覆蓋區(qū)域Ⅱ的GPS最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座性能評(píng)估結(jié)果如圖4所示。從最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座對(duì)全球區(qū)域的服務(wù)性能來看,GPS全時(shí)段可用格網(wǎng)百分比達(dá)到100.00%,可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,精度水平等級(jí)在2~4之間。可見,最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域Ⅲ的連續(xù)性覆蓋。 (a) 可用性水平等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(a) Statistical results of availability level (b) 全球可用性水平分布(b) Global availability level distribution (c) 精度水平等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(c) Statistical results of accuracy level (d) 全球平均GDOP值分布(d) Global average GDOP distribution圖4 覆蓋區(qū)域Ⅱ的GPS最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座性能評(píng)估結(jié)果Fig.4 Performance evaluation results of GPS optimal power enhanced sub-constellation for covering area Ⅱ 本文提出基于衛(wèi)星數(shù)最少準(zhǔn)則的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,詳細(xì)介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、數(shù)學(xué)模型以及最優(yōu)解的搜索策略。定義采用可用性水平和精度水平用以評(píng)估功率增強(qiáng)子星座對(duì)全球區(qū)域的服務(wù)性能。 以GPS為例,針對(duì)覆蓋點(diǎn)目標(biāo)和區(qū)域目標(biāo)兩種應(yīng)用背景進(jìn)行功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明:全球范圍內(nèi)任意目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行功率增強(qiáng)需要12~17顆衛(wèi)星,低緯度地區(qū)和高緯度地區(qū)所需衛(wèi)星數(shù)少于中緯度地區(qū)。實(shí)現(xiàn)對(duì)我國沿海區(qū)域的連續(xù)覆蓋需要18顆功率增強(qiáng)衛(wèi)星;覆蓋亞太地區(qū)則需要全星座24顆衛(wèi)星都具備功率增強(qiáng)能力,這樣才能滿足連續(xù)性和精度要求,此時(shí)最優(yōu)功率增強(qiáng)子星座的服務(wù)范圍可擴(kuò)充至全球區(qū)域。 與GPS星座全部由MEO衛(wèi)星構(gòu)成不同,我國北斗系統(tǒng)星座是由GEO、IGSO和MEO構(gòu)成的混合星座,其中MEO衛(wèi)星主要實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,GEO和IGSO衛(wèi)星主要實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)的連續(xù)、多重增強(qiáng)覆蓋。所提衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和性能評(píng)估方法同樣適用于北斗系統(tǒng),在具體應(yīng)用時(shí),可以作為數(shù)學(xué)模型約束條件將GEO和IGSO衛(wèi)星作為功率增強(qiáng)衛(wèi)星,然后再從MEO衛(wèi)星中選取功率增強(qiáng)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,利用GEO和IGSO區(qū)域增強(qiáng)覆蓋的特點(diǎn)減小功率增強(qiáng)子星座衛(wèi)星數(shù)量。2.2 精度水平
2.3 覆蓋范圍
3 算例分析
3.1 覆蓋點(diǎn)目標(biāo)的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.2 覆蓋區(qū)域目標(biāo)的功率增強(qiáng)子星座優(yōu)化設(shè)計(jì)
4 結(jié)論