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      雙源組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可視化教學(xué)方法

      2014-01-10 01:47:38劉江凱
      導(dǎo)航定位學(xué)報(bào) 2014年3期
      關(guān)鍵詞:北京站導(dǎo)航系統(tǒng)星座

      聞 新,劉江凱

      (1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué),沈陽(yáng) 110136;2.南京航空航天大學(xué),南京 210016)

      1 引言

      隨著科學(xué)進(jìn)步和生活水準(zhǔn)的不斷提高,航天技術(shù)的發(fā)展給人們傳統(tǒng)的生活模式帶來(lái)了巨大的影響,如全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、數(shù)字地圖和氣象預(yù)報(bào)等等,人類正在悄悄地進(jìn)入航天時(shí)代。與此同時(shí),隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)航天知識(shí)的獲取變得更加迫切,很多高校將 “航天科技導(dǎo)論”作為擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面的通識(shí)課程。

      在講解 “航天科技導(dǎo)論”課程的 “衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其技術(shù)”一節(jié),一直沿用 “教師→導(dǎo)航測(cè)量方程→學(xué)生”或 “教師→黑板徒手繪圖→學(xué)生”的課堂教學(xué)方式,尤其當(dāng)教師在黑板上講授 “導(dǎo)航星座的星下點(diǎn)軌跡”時(shí)[1],由于衛(wèi)星多、星座轉(zhuǎn)、地球也在轉(zhuǎn),往往需要使用幾種顏色的線條將他們區(qū)分,這對(duì)航天專業(yè)的學(xué)生理解起來(lái)是不難的,但在 “航天科技導(dǎo)論”授課期間,由于學(xué)生來(lái)自于各類專業(yè),沿用此類方法授課,學(xué)生則難以理解和接受。此外,由于黑板與公式教學(xué)模式的缺點(diǎn),學(xué)生也很難理解復(fù)雜的導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地覆蓋等問(wèn)題。

      綜上所述,利用可視化的圖解手段,結(jié)合“衛(wèi)星導(dǎo)航星座運(yùn)行理論”的教學(xué)內(nèi)容,可以很好地幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法。

      本文利用衛(wèi)星工具軟件包(satellite tool kit,STK的三維可視化的圖形顯示功能結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航星座分析理論,探索有助于幫助學(xué)生理解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)及BDS/GPS共用的衛(wèi)星定位精度的問(wèn)題,進(jìn)而幫助理解什么是衛(wèi)星星座的精度因子(dilution of precision,DOP)簡(jiǎn)稱因子。

      2 基于STK仿真講解BDS和GPS星座的部署和對(duì)地覆蓋概念

      截止到2012年底,BDS在軌工作衛(wèi)星有5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、4顆中圓地球軌道衛(wèi)星和5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星。根據(jù)文獻(xiàn) [4]和文獻(xiàn) [5]公布的數(shù)據(jù),利用STK軟件工具,建立的BDS星座模型(如圖1所示)和相應(yīng)的星下點(diǎn)軌跡(如圖2所示)。

      圖1 BDS星座的分布情況

      圖2 BDS星座運(yùn)行的星下點(diǎn)軌跡覆蓋情況

      目前,GPS衛(wèi)星星座由分布在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成,其中21顆為工作衛(wèi)星,3顆為備用衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道高度約為20 200km,軌道傾角為55°,各軌道平面的升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°,衛(wèi)星運(yùn)行的周期為11h58min[6]。

      利用STK軟件工具,設(shè)置起始時(shí)刻為2013-12-01T12:00:00,仿真步長(zhǎng)60s,仿真時(shí)間為3d,于是得出圖3和圖4整個(gè)場(chǎng)景的可視化演示結(jié)果。

      圖3 BDS/GPS組合的衛(wèi)星分布情況

      圖4 BDS/GPS組合星座的星下點(diǎn)軌跡覆蓋情況

      由于BDS是由14顆衛(wèi)星組成,而GPS工作衛(wèi)星由24顆衛(wèi)星組成,則混合星座總共有38顆衛(wèi)星,所以,通過(guò)圖4與圖3比較,BDS/GPS混合星座的星下點(diǎn)軌跡覆蓋面積比單一星座的覆蓋面積大。

      3 演示BDS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的地面可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目

      對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航,地面可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目越多,導(dǎo)航性能越好。為了幫助學(xué)生評(píng)估混合導(dǎo)航星座系統(tǒng)的可用性[7],建立地面站北京站(Beijing),其位置信息為:116.388°E、39.906 2°N,利用STK鏈路工具,新建一個(gè)鏈路分析;然后北京站和BDS導(dǎo)航衛(wèi)星星座作為鏈路中的兩個(gè)對(duì)象添加至當(dāng)前鏈路,就可以仿真時(shí)段內(nèi)任意時(shí)刻北京站對(duì)BDS的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目,如圖5所示。

      采用同樣的方法建立另一個(gè)鏈路分析。將北京站和BDS/GPS導(dǎo)航衛(wèi)星星座作為鏈路中的兩個(gè)對(duì)象添加至鏈路,就可以計(jì)算北京站對(duì)BDS/GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目,如圖5所示。

      圖5 BDS可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)目

      圖6 BDS/GPS組合可見(jiàn)衛(wèi)星的數(shù)目

      由圖5和圖6的計(jì)算結(jié)果可以明顯看出,BDS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)較單一的BDS系統(tǒng),衛(wèi)星的可見(jiàn)數(shù)目有了顯著提高,任意時(shí)刻地面站點(diǎn)均能同時(shí)接收來(lái)自聯(lián)合系統(tǒng)的16顆以上的衛(wèi)星,且最多可達(dá)22顆,進(jìn)而可以解釋組合星座能極大地增強(qiáng)導(dǎo)航覆蓋能力和效果。

      4 圖解導(dǎo)航星座的DOP因子概念

      導(dǎo)航的精確度與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可信度是非常重要的。DOP是評(píng)定位置精度質(zhì)量重要的參數(shù)。DOP的數(shù)值大小取決于衛(wèi)星星座的位置、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目、衛(wèi)星高度及方位這幾個(gè)因素,它用于反映地面站與可見(jiàn)衛(wèi)星星座的幾何關(guān)系。通過(guò)精確測(cè)定DOP值,可以衡量衛(wèi)星星座的位置精度。DOP因子通常包括:(1)平面位置精度因子(horizontal dilution of precision,HDOP);(2)高程精度因子(DOP);(3)空間位置精度因子(position dilution of precision,HDOP,PDOP);(4)接收機(jī)鐘差精度因子(time dilution of precision,TDOP);(5)幾何精度因子(geometric dilution of Precision,GDOP)。一般來(lái)講,可見(jiàn)衛(wèi)星間夾角大,則DOP值越小,測(cè)量結(jié)果好。DOP值越小,表明可見(jiàn)衛(wèi)星星座幾何構(gòu)型好,測(cè)量條件佳。也就是說(shuō),DOP值越小,測(cè)量結(jié)果的可信度越高。GDOP值的表達(dá)式為[8]

      式(1)中,a11~a44為偽距絕對(duì)定位的權(quán)系數(shù)陣的對(duì)角線元素。

      利用STK覆蓋分析模塊,可以演示單個(gè)或星座對(duì)象的全局和區(qū)域覆蓋問(wèn)題。在進(jìn)行覆蓋演示時(shí),STK不僅可以提供詳盡的分析報(bào)告和圖表,能對(duì)覆蓋的變化進(jìn)行同步仿真,而且還會(huì)充分考慮所有對(duì)象的訪問(wèn)約束,避免計(jì)算誤差。

      利用STK的coverage definition(覆蓋定義)和figure of merit(覆蓋品質(zhì)參數(shù)),演示BDS、GPS衛(wèi)星系統(tǒng)以及聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)的GDOP值的變化曲線如圖7~圖9所示。

      圖7 單個(gè)BDS星座對(duì)地面站的GDOP

      分析圖6~圖8得出,在單獨(dú)的BDS和GPS系統(tǒng)定位中,各個(gè)組的GDOP值有較大的波動(dòng),而B(niǎo)DS/GPS聯(lián)合系統(tǒng)的GDOP值有非常好的抑制波動(dòng)效果,使GDOP值的變化更加平滑,聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)比單獨(dú)系統(tǒng)的平穩(wěn)精度更高。各衛(wèi)星系統(tǒng)以及聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)的GDOP最大值、最小值、平均值如表1所示。

      圖8 單個(gè)GPS星座對(duì)地面站的GDOP

      圖9 BDS/GPS聯(lián)合星座對(duì)地面站的GDOP

      表1 北京站各系統(tǒng)的GDOP值對(duì)比表

      由表1可以看出,兩個(gè)系統(tǒng)的組合比單獨(dú)的BDS GDOP值增強(qiáng)了50.4%,比單獨(dú)的GPS系統(tǒng)GDOP值增強(qiáng)了27.0%。最大GDOP值比BDS系統(tǒng)下降了1.93,比GPS系統(tǒng)下降了1.33。最小GDOP值比BDS系統(tǒng)下降了0.6,比GPS系統(tǒng)下降了0.3。平均GDOP值比BDS系統(tǒng)下降了1.26,比GPS系統(tǒng)下降了0.46。由此可以看出GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和BDS導(dǎo)航系統(tǒng)組合之后的導(dǎo)航系統(tǒng)達(dá)到了更好的定位精度。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      本文介紹了 “衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及定位技術(shù)”一節(jié)的授課過(guò)程,基于STK軟件,采用可視化的形式演示了BDS系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)以及BDS/GPS聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)。這種可視化形式的授課,不僅加深了學(xué)生對(duì) “衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其定位技術(shù)”內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和理解,而且還極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,另外,采樣可視化教學(xué)手段,例如,圖形比較法、表格說(shuō)明、3D圖像等等,增加了 “看”的比重,實(shí)現(xiàn)了從單純的 “聽(tīng)課”,變?yōu)?“聽(tīng)看結(jié)合,明顯提高了授課效果。

      本文所研究?jī)?nèi)容僅僅是在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度分析方面進(jìn)行嘗試,類似地,基于STK工具的可視化教學(xué)手段,也可以推廣到航天動(dòng)力學(xué)與控制、姿態(tài)控制、航天器總體設(shè)計(jì)技術(shù)等課程中去。

      [1] 劉海穎,王惠南,陳志明.衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2013.

      [2] 楊穎,王琦.STK在計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.

      [3] 丁溯泉,張波,劉世勇.STK在航天任務(wù)仿真分析中的應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.

      [4] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗系統(tǒng)公開(kāi)服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)[EB/OL].(2013-12-01)[2014-03-26].http://202.119.64.154/data2/pdf/1983a975dd560a48162a3e19129ff4d2/20131226fe8b20aad5f34091a6f8a84b08b1c4b1.pdf.

      [5] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件(2.0版)[EB/OL].(2013-12-31)[2014-03-26].http://202.119.64.154/data2/pdf/386bb99ee8897691ef1510ad1af72ff0/2013122604a521b35b7f4a54b44cfbbc8abd74a8.pdf.

      [6] 黃丁發(fā),熊永良,周樂(lè)韜,等.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

      [7] 代明鑫,張文明,王雪松.基于STK的SAR衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2008,36(1):5-9.

      [8] 高晉寧,方源敏,楊展,等.基于STK的GLONASS系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)DOP值的仿真分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2001,15(11):3384-3387.

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