基于LEO增強(qiáng)的COMPASS系統(tǒng)設(shè)計及性能分析?

趙金峰，于笑，馮少棟，鄧琳

（1.解放軍69105部隊，沈陽110005；2.解放軍96610部隊，北京102208；3.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京210007）

基于LEO增強(qiáng)的COMPASS系統(tǒng)設(shè)計及性能分析?

趙金峰1，??，于笑1，2，馮少棟2，鄧琳3

（1.解放軍69105部隊，沈陽110005；2.解放軍96610部隊，北京102208；3.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京210007）

針對COMPASS系統(tǒng)的PNT（Position，Navigation，and Timing）性能在全球不均勻的現(xiàn)狀，提出采用48星極軌或玫瑰星座的LEO（Low Earth Orbit）通信衛(wèi)星對COMPASS系統(tǒng)進(jìn)行性能增強(qiáng)的方案，并對其覆蓋性能及各緯度帶的平均覆蓋仰角進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，研究并探討了LEO星座通信衛(wèi)星增強(qiáng)的導(dǎo)航系統(tǒng)組成和原理，并以位置精度因子和可見衛(wèi)星數(shù)為指標(biāo)，對比分析兩類LEO星座增強(qiáng)下的導(dǎo)航系統(tǒng)性能。

COMPASS；低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)；增強(qiáng)；位置精度因子；可見衛(wèi)星數(shù)

1 引言

COMPASS系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是由地球同步軌道衛(wèi)星（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）、傾斜同步軌道衛(wèi)星、中軌道衛(wèi)星構(gòu)成的混合結(jié)構(gòu)。這樣的一種空間段配置方式，決定了未來我國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的覆蓋性能不會是全球均勻的，在中國及其附近區(qū)域具有較高的多星可視概率，而在其他區(qū)域只能依靠中軌道衛(wèi)星提供的覆蓋，也就是說未來我國全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)所提供的PNT（Position，Navigation，and Timing）性能很可能在全球并不是均等的，在國外的性能可能會稍差一些。

隨著COMPASS系統(tǒng)在民用、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和深入，人們對COMPASS系統(tǒng)首次定位時間、定位精度、完好性、連續(xù)性、可用性以及抗干擾能力的要求會越來越高，不僅要盡量縮短定位時間、提高定位精度、改善惡劣環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量，還要求盡量利用其他各種手段提高COMPASS系統(tǒng)的生存能力，這促使我們有必要研究一些有效的增強(qiáng)手段。從美國Iridium系統(tǒng)輔助GPS系統(tǒng)的研究成果來看，利用LEO星座通信衛(wèi)星對導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)將是一種有效的方法。

2 COMPASS系統(tǒng)簡介

根據(jù)“先區(qū)域，后全球”的建設(shè)思路，COMPASS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)建設(shè)分為COMPASS I和COMPASS II兩個階段。COMPASS I計劃在2012年前完成12顆BD2星的組網(wǎng)，實現(xiàn)區(qū)域覆蓋，包括5顆在35 786 km高度運行的GEO、4顆在21 500 km高度運行的中軌道衛(wèi)星和3顆分別處于3個軌道上飛行于35 786 km高度的傾斜同步軌道衛(wèi)星［1］。COMPASS II則是在此基礎(chǔ)上完成由5顆GEO和30顆非地球同步軌道衛(wèi)星組成的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，從而實現(xiàn)全球覆蓋［2－3］。

3 低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡介

3.1 48星極軌星座

極軌星座的衛(wèi)星處于相同高度的圓形極軌道上，能夠覆蓋全球，在無人居住的兩極地區(qū)具有很高的多星覆蓋率，易于建立星間鏈路，Iridium系統(tǒng)采用此星座結(jié)構(gòu)［4］。經(jīng)過對比分析，采用48星的極軌星座方案可實現(xiàn)全球覆蓋，具體參數(shù)如表1所示。

表1 48星極軌星座方案的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Polar constellation parameters

3.2 48星玫瑰星座

玫瑰星座的衛(wèi)星處于相同軌道高度和傾角的傾斜圓軌道上。不同軌道面中衛(wèi)星的覆蓋區(qū)是重疊的，這樣在人口稠密的中緯度地區(qū)具有較好的多星覆蓋率，但不能覆蓋兩極地區(qū)，Globalstar系統(tǒng)采用此星座結(jié)構(gòu)［4］。采用48星的玫瑰星座方案可實現(xiàn)南北緯80°覆蓋，具體參數(shù)如表2所示。

表2 48星玫瑰星座方案的主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Rose constellation parameters

4 系統(tǒng)設(shè)計

增強(qiáng)系統(tǒng)由以下幾部分組成：導(dǎo)航衛(wèi)星、LEO星座通信衛(wèi)星、參考站網(wǎng)絡(luò)、控制中心、信關(guān)站和用戶終端，組成原理如圖1所示。

圖1 LEO衛(wèi)星增強(qiáng)的COMPASS系統(tǒng)組成原理圖Fig.1 The structure of LEO satellites enhanced COMPASSsystem

假設(shè)圖1中導(dǎo)航衛(wèi)星為COMPASS II衛(wèi)星。LEO衛(wèi)星為前面所述的48星極軌或玫瑰星座。參考站網(wǎng)絡(luò)，通常由多個差分參考站組成，主要對可見的導(dǎo)航衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星進(jìn)行觀測和測量，測量值包括基于碼或載波相位、多普勒頻移、導(dǎo)航衛(wèi)星與星座衛(wèi)星之間的鐘差、從導(dǎo)航衛(wèi)星解調(diào)獲得的星歷信息以及氣象信息等。這些參考站應(yīng)保持時間同步，參考站接收機(jī)可采用普通溫補(bǔ)晶振?？刂浦行闹饕墓δ苁墙邮諒膮⒖颊緜鬏?shù)男畔ⅲ⒕C合利用這些信息通過數(shù)學(xué)模型計算出差分信息，并將差分信息傳輸?shù)叫抨P(guān)站。差分消息包括參考站測得的原始偽距、載波相位、多普勒頻移、可見導(dǎo)航衛(wèi)星的星歷參數(shù)、導(dǎo)航衛(wèi)星與LEO星座通信衛(wèi)星的鐘差、完好性數(shù)據(jù)（導(dǎo)航星的狀態(tài)、差分?jǐn)?shù)據(jù)的精度指示）以及其他輔助數(shù)據(jù)（參考站的位置、氣象數(shù)據(jù)等）。信關(guān)站是指星座通信系統(tǒng)中的信關(guān)站，可為地面其他的應(yīng)用提供差分消息。

5 性能評價指標(biāo)

5.1 精度因子

在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，定位與授時解算的精度最終可用精度因子和偽距誤差之積來表示［5］。精度因子描述了不同的衛(wèi)星幾何分布對定位精度的不同影響，用戶與衛(wèi)星的幾何分布越好，DOP（Dilution of Precision）值就越小，而在同等用戶等效距離誤差下，往往代表星座分布結(jié)構(gòu)越好，定位精度越高［6］。

精度因子包括幾何精度因子、位置精度因子、水平精度因子、垂直精度因子和時間精度因子5個參數(shù)，不同的應(yīng)用對這些參數(shù)有不同的要求。

GPS接收機(jī)的定位結(jié)果（xu，yu，zu）由導(dǎo)航電文中解算的衛(wèi)星位置（xj，yj，zj）和觀測偽距ρj（j＝1，

2，…，n，n是可見衛(wèi)星數(shù)）決定，單點定位解算方程如式（1）所示：

其中：

n≥4時可采用最小二乘法求解式（3）：

假設(shè)偽距誤差矢量dP，則對位置和時間估計的誤差是

通常假設(shè)dP各分量分布相同且相互獨立，均方差等于衛(wèi)星的用戶等效測距誤差，即

其中，cov（·）為協(xié)方差。所以

對稱矩陣G＝（HTH）－1的各分量定量地表示了偽距誤差如何變換為dX的協(xié)方差的各分量，精度因子可由G的分量來定義

各種精度因子可表示為

以上DOP的概念都是基于不加權(quán)的協(xié)方差矩陣得到，因此DOP并不能十分精確地反映系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。盡管如此，在分析該系統(tǒng)的導(dǎo)航性能時，為了撇開其他一些非星座因素的影響，人們還是經(jīng)常采用DOP值衡量星座的導(dǎo)航性能［7］。

5.2 可用性

導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性是指系統(tǒng)服務(wù)可以使用的時間百分比，是在特定覆蓋區(qū)提供可用服務(wù)能力的標(biāo)志，與環(huán)境的物理特征和發(fā)送導(dǎo)航信號發(fā)射機(jī)的技術(shù)性能有關(guān)［8］，可以理解為導(dǎo)航系統(tǒng)同時滿足精度、完好性和連續(xù)性要求的概率。通常，可以將可用性等效為滿足某一門限要求的定位精度。

一個地區(qū)同一時間內(nèi)覆蓋到的衛(wèi)星數(shù)越多，可供選用的衛(wèi)星越多，可帶來以下好處：第一，通?？梢缘玫礁〉腄OP值，提高定位精度；第二，服務(wù)可用性更高；第三，接收機(jī)自主完好性監(jiān)測及故障檢測與排除可用性更高，有利于保證系統(tǒng)的完好性。

6 性能分析

6.1 精度因子指標(biāo)

DOP參數(shù)中的位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）可直接用于標(biāo)定星座覆蓋區(qū)域、分析星座服務(wù)可用性和導(dǎo)航定位精度等，具有較好的代表性。本小節(jié)選取PDOP值為指標(biāo)，使用STK（Sim Tool Kit）軟件仿真COMPASS II及其增強(qiáng)前后的性能，LEO衛(wèi)星星座采用第3節(jié)中的極軌和玫瑰星座，分析在這兩種方案下COMPASS II在增強(qiáng)前后全球范圍內(nèi)的PDOP值變化情況。

在空間域的統(tǒng)計中，選擇仿真區(qū)域為全球，采樣網(wǎng)格緯度/經(jīng)度為1°；在時間域的統(tǒng)計中，仿真時間為2007年7月1日12∶00到2007年7月2日12∶00，取樣間隔為1min。

（1）方案一：極軌星座

圖2為最低觀測仰角為10°時，COMPASS II經(jīng)極軌星座增強(qiáng)前后全球范圍內(nèi)的PDOP值變化情況。

圖2 最低觀測仰角為10°時，增強(qiáng)前后全球范圍內(nèi)PDOP值變化情況Fig.2 The variety of PDOP by Polar enhanced at10°elevation

由圖2可得出，COMPASS II在增強(qiáng)前后的PDOP值在全球范圍內(nèi)有較明顯的改善，尤其是在高緯度地區(qū)改善較大。

（2）方案二：玫瑰星座

圖3為最低觀測仰角為10°時，COMPASS II經(jīng)玫瑰星座增強(qiáng)前后全球范圍內(nèi)的PDOP值變化情況。

圖3 最低觀測仰角為10°時，增強(qiáng)前后全球范圍內(nèi)PDOP值變化情況Fig.3 The variety of PDOP by Rose enhanced at10°elevation

由圖3可得出，COMPASS II在增強(qiáng)前后的PDOP值在全球范圍內(nèi)都有一定的改善，但在高緯度地區(qū)無明顯改善。

表3中給出了兩種方案的對比情況。

表3 增強(qiáng)后PDOP在全球范圍內(nèi)的改善情況Table 3 PDOP improvementwith LEO enhancement

在其他影響定位條件等同情況下，根據(jù)表4的統(tǒng)計結(jié)果，可以認(rèn)為在全球范圍內(nèi)經(jīng)極軌星座增強(qiáng)之后的系統(tǒng)可以達(dá)到一個更優(yōu)的定位精度。

6.2 可用性指標(biāo)

本小節(jié)選取仿真區(qū)域內(nèi)的可見衛(wèi)星數(shù)為指標(biāo)，利用STK軟件仿真COMPASS II及其增強(qiáng)前后的可見衛(wèi)星數(shù)，然后利用Matlab處理仿真數(shù)據(jù)得出具體的比較結(jié)果。仿真條件與6.1節(jié)相同。

圖4給出了可見仰角為10°時，增強(qiáng)前后系統(tǒng)的平均可見衛(wèi)星隨緯度的變化情況。

圖4 最低仰角10°時，平均可見衛(wèi)星數(shù)隨緯度變化情況Fig.4 The number of visible satellites at10°elevation

從圖中可以看出，增強(qiáng)前可見衛(wèi)星數(shù)在9～16顆之間，中低緯度地區(qū)有較多的可見衛(wèi)星數(shù)，高緯度地區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)隨緯度升高而降低。經(jīng)玫瑰星座增強(qiáng)之后，中低緯度平均可見星數(shù)都保持在17顆以上，但高緯度地區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)改善不大。經(jīng)極軌衛(wèi)星增強(qiáng)后各緯度帶可見衛(wèi)星數(shù)較平均，都在16顆以上，大大提高了系統(tǒng)性能。

對于處在城市、峽谷、山區(qū)及叢林等地區(qū)的用戶終端，由于易受周圍地形地物的阻擋或遮蔽的影響，通常只能看到高仰角的衛(wèi)星，而大多數(shù)低仰角的衛(wèi)星一般不可見，從而造成用戶終端不能實現(xiàn)定位。圖5為可見仰角為40°時，增強(qiáng)前后系統(tǒng)的平均可見衛(wèi)星隨緯度的變化情況。在增強(qiáng)之前，緯度65°以上的地區(qū)，導(dǎo)航衛(wèi)星的個數(shù)小于4顆，通常不能正常定位。經(jīng)極軌星座增強(qiáng)之后，即使在高緯度地區(qū)，可見衛(wèi)星數(shù)也總多于4顆。

圖5 最低仰角40°時，平均可見衛(wèi)星數(shù)隨緯度變化情況Fig.5 The number of visible satellites at40°elevation

7 結(jié)束語

本文針對COMPASS系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展中存在的不足，提出了用于增強(qiáng)COMPASS系統(tǒng)的48星極軌和玫瑰星座方案，對其覆蓋性能及各緯度帶的平均覆蓋仰角進(jìn)行了分析，研究并探討了LEO增強(qiáng)的COMPASS系統(tǒng)組成和原理。最后，以位置精度因子和可見衛(wèi)星數(shù)為指標(biāo)，對兩類星座增強(qiáng)下的COMPASS部分性能進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，48星極軌星座與COMPASS系統(tǒng)在星座構(gòu)型上互補(bǔ)優(yōu)勢更為明顯，在全球范圍內(nèi)經(jīng)極軌星座增強(qiáng)之后系統(tǒng)的位置精度因子更小，在高緯度地區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)得到了明顯提高，這與國外的相關(guān)研究得出的結(jié)論相似。

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趙金峰（1986—），男，黑龍江亞布力人，2012年于解放軍理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要研究方向衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航；

ZHAO Jin-feng was born in Yabuli，Heilongjiang Province，in 1986.He received the M. S.degree from PLA University of Science and Technology in 2012.His research interests include satellite communication and satellite navigation.

于笑（1978—），男，遼寧沈陽人，博士研究生，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)；

YU Xiao was born in Shenyang，Liaoning Province，in 1978. He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns communication and information system.

馮少棟（1981—），男，河南安陽人，2011年于解放軍理工大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航；

FENG Shao-dongwasborn in Anyang，Henan Province，in 1981. He received the Ph.D.degree from PLA University of Science and Technology in 2011.He is now a senior engineer.His research interests include satellite communication and satellite navigation.

Email：13feng＠sina.com

鄧琳（1987—），男，湖南衡陽人，2009年于南京郵電大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為解放軍理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信。

DENGLin was born in Hengyang，Hunan Province，in 1987.He received the B.S.degree from Nanjing University of Postand Telecommunications in 2009.He isnow a graduate student.His research interests include satellite navigation and satellite communication.

Design and Performance Analysis of LEO Satellites Enhanced COMPASS System

According to the status that COMPASS system′s PNT（Position，Navigation，and Timing）is asymmetry in theworldwide，the polar constellation and rose constellation are proposed to enhance the COMPASS，and then their coverage performances are simulated and analysed.Furthermore，the structure and principle of enhanced COMPASSsystem are discussed.By using the index of position dilution of precision and the number of visible satellites，the performance of enhanced system is comparatively analysed.

COMPASS；LEO constellation satellite communication system；augmentation；PDOP；number of visual satellites

TN96

A

1001－893X（2013）02－0131－05

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.02.004

2012－05－09；

2012－09－18 Received date：2012－05－09；Revised date：2012－09－18

??通訊作者：13feng＠sina.com Corresponding author：13feng＠sina.com

ZHAO Jin-feng1，YU Xiao1，2，F(xiàn)ENG Shao-dong2，DENG Lin3

（1.Unit96105 of PLA，Shenyang 110005，China；2.Unit96610 of PLA，Beijing 102208，China；3.Institute of Communication Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China）