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，艾國祥，馬利華，林榮超

(1.中國科學院國家天文臺，北京 100012；2.中國科學院大學，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，艾國祥1，馬利華1，林榮超1，2

(1.中國科學院國家天文臺，北京 100012；2.中國科學院大學，北京 100049)

基于通信衛(wèi)星的導航系統(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)星組成導航星座。結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)星組成的中國區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System，CAPS)的導航性能，并討論了利用傾斜高圓軌道衛(wèi)星組成的中國區(qū)域定位系統(tǒng)實現(xiàn)中國區(qū)域覆蓋的最佳星座布局。

中國區(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；導航星座

CN53－1189/P ISSN1672－7673

2002年11月，中國科學院的科研人員開始研發(fā)基于地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)通信衛(wèi)星的中國區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System，CAPS)。2005年5～6月，建成中國區(qū)域定位系統(tǒng)演示驗證系統(tǒng)，并通過測試驗收。該系統(tǒng)利用通信衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)地面站發(fā)出的時頻信號和導航電文，用戶接收實現(xiàn)定位、測速和授時[1－3]。在日月引力等攝動作用下，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)星組建導航星座，實現(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)星上豐富的轉發(fā)器資源可用于開展三頻、多頻高精度導航的研究并支持導航通信一體化開發(fā)[4－6]。近年來，為了解決衛(wèi)星軌位和頻率稀缺等問題，中國區(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，可以實現(xiàn)全球范圍的導航通信覆蓋[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，在此軌道內運行的衛(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)星星下點軌跡示意圖。傾斜高圓軌道衛(wèi)星在運行過程中，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，大幅度延長衛(wèi)星工作壽命。利用傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星的優(yōu)點包括①馬利華.CAPS利用iHCO衛(wèi)星技術方案[R].北京:國家天文臺CAPS技術報告，2013.:(1)沒有固定通信衛(wèi)星軌位和頻率協(xié)調問題，空分多址，實現(xiàn)通信衛(wèi)星擴展空間利用；(2)燃料主要用來調整衛(wèi)星對地姿態(tài)，有效降低星載燃料消耗，大幅度延長衛(wèi)星工作壽命，可以實現(xiàn)通信衛(wèi)星的全壽命周期利用；(3)在日月引力攝動作用下，衛(wèi)星傾角逐漸增大②經(jīng)姚翔.GEO棄置軌道衛(wèi)星的運動規(guī)律[R].北京:國家天文臺CAPS技術報告，2012.，改善了中國區(qū)域定位系統(tǒng)導航星座空間布局，成倍提高系統(tǒng)導航定位性能；(4)在全球對傾斜高圓軌道衛(wèi)星上行信號，可以實現(xiàn)全球范圍的導航通信覆蓋；(5)衛(wèi)星工作到燃料徹底用盡，實現(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)星組成導航星座涉及軌道優(yōu)選、軌位申報、通信頻率協(xié)調、全球遙測遙控等內容。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??；同時，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，攝動作用會引起衛(wèi)星軌道高度發(fā)生起伏，不同軌道參數(shù)導致軌道高度的起伏程度也不相同。結合地球靜止軌道通信衛(wèi)星的實際狀況，衛(wèi)星操作者建議:對于早期發(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兩個高度作為傾斜高圓軌道高度，并結合中國區(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)星組成的中國區(qū)域定位系統(tǒng)導航星座的性能。

2 結合傾斜高圓軌道衛(wèi)星的CAPS星座空間布局

中國區(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)一設置為3°，兩顆SIGSO衛(wèi)星過赤道的時間差取決于衛(wèi)星星下點的經(jīng)度差③經(jīng)姚翔，張云彤.地球同步衛(wèi)星軌道相位分析[R].北京:國家天文臺CAPS技術報告，2009.。赤道面內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(以下簡寫為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(以下簡寫為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)星的升交點經(jīng)度相同?？紤]到150 km傾斜高圓軌道衛(wèi)星相對地球漂移的速度是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)星的升交點經(jīng)度的差值為120°，因此，綜合分析星座性能的時間段至少為63 d。

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

3 結合傾斜高圓軌道衛(wèi)星的CAPS導航星座分析

衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的定位精度主要取決于星座空間布局和測距誤差。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價星座空間布局優(yōu)劣的空間構圖指標。本文利用STK軟件分析了結合傾斜高圓軌道衛(wèi)星的中國區(qū)域定位系統(tǒng)導航星座布局。STK是Satellite Tool Kit的簡稱，該軟件是由美國Analytical Graphics公司開發(fā)的一款在航天領域處于領先地位的商業(yè)分析軟件，支持包括設計、測試、發(fā)射、運行和任務應用等航天任務的全過程[9－10]。

本文從中國東部、西部、南部、北部和中部分別選取北京、上海、漠河、長春、臺北、三亞、昆明、拉薩、喀什、烏魯木齊、酒泉和西安等12個地點作為測站，并設置觀測站的截止高度角為10°，分析時段取為120 d，步長5 min。分別計算12個測站在上述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，12個測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:在地心地固坐標系下，傾斜高圓軌道星座的運行周期為62.5 d，分析時段120 d則接近兩個周期，所以在該分析時段內不同的星座組合的平均效果基本相同。因此，此時衡量星座布局優(yōu)劣，應該側重該時間段內位置精度衰減因子最大值。星座5在120 d內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)星的升交點經(jīng)度重合時，測站觀測到的同經(jīng)度兩顆衛(wèi)星的夾角非常小，此時星座布局最差。由于中國經(jīng)度范圍約為73°E至135°E，恰好避開星座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)星夾角較大時段持續(xù)最長，所以星座5在中國區(qū)域上空呈現(xiàn)出最佳效果。12個測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，漠河和長春測站由于緯度較高，兩站衛(wèi)星可見數(shù)目較少，導致星座布局差，位置精度衰減因子最大值也較大。上述12種星座中，除長春和漠河外，位置精度衰減因子最大值有相同變化趨勢。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中在中國區(qū)域可見傾斜高圓軌道衛(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，除長春和漠河外的中低緯度測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。

圖2 12個測站在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 論

本文通過分析不同測站在利用兩種高度的傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星組成的中國區(qū)域定位系統(tǒng)導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)星實現(xiàn)中國區(qū)域覆蓋的最佳星座布局。當軌道高度為150 km和300 km的傾斜高圓軌道衛(wèi)星入軌時星下點經(jīng)度分別為40°E、160°E、80°W時，星座布局最佳。中國區(qū)域定位系統(tǒng)短精碼偽距測量誤差σ0約為0.3 m，12個測站在最優(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，所以該星座可以實現(xiàn)約10 m的定位精度。本文研究結果可為中國區(qū)域定位系統(tǒng)利用傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星組建導航星座的工程實現(xiàn)提供參考。結合全球定位系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)導航信號，可以進一步提高衛(wèi)星導航系統(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、高精度導航與應用天文學.Email:mlh＠nao.cas.cn