組合GNSS系統(tǒng)可見衛(wèi)星分析

胡自全,何秀鳳

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,陜西 西安 710018;

2.河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所,江蘇 南京210098)

組合GNSS系統(tǒng)可見衛(wèi)星分析

胡自全1,2,何秀鳳2

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,陜西 西安 710018;

2.河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所,江蘇 南京210098)

摘要：為解決高山峽谷地區(qū)及城市建筑群區(qū)域,GPS用戶接收到的衛(wèi)星個數(shù)少無法滿足定位的最低要求的問題,提出組合GNSS導(dǎo)航定位的方法。利用GPS、GLONASS及GALILEO系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道參數(shù)模擬,計算不同衛(wèi)星高度角下全球范圍內(nèi)單GNSS系統(tǒng)及組合GNSS系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)。研究表明：組合GNSS系統(tǒng)增加了可見衛(wèi)星數(shù),突破了極端條件下衛(wèi)星高度角對導(dǎo)航定位的限制,擴(kuò)展了衛(wèi)星定位的范圍。

關(guān)鍵詞：GNSS;組合系統(tǒng);衛(wèi)星;可見

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.001

中圖分類號：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0001-05

收稿日期：2015-04-15

作者簡介

Abstract:In order to solve the problem of the alpine and gorge region and urban built-up area, the number of satellite receiver to the GPS user cannot meet the minimum requirements for the positioning of the small problems, propose the way of combining of GNSS navigation and positioning. Simulation using GPS, GLONASS and GALILEO satellite orbit parameters, the number of visible satellites are calculated under different satellite elevation angle in the global scope of single GNSS system and GNSS system. Research shows that the combination of GNSS system increase the number of visible satellites, broke through the limitation of the extreme conditions of satellite elevation angle of navigation and positioning, expanding the scope of satellite positioning.

0引言

當(dāng)今最先進(jìn)的測量技術(shù)手段GPS技術(shù),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、測繪工程、搜索救援等領(lǐng)域。但是,在高山峽谷地區(qū)及城市建筑群區(qū)域的導(dǎo)航及測繪工程中GPS技術(shù)存在受到地形及周邊建筑物遮擋的影響,用戶終端可接收的衛(wèi)星數(shù)目少[1-2],無法滿足定位的最低要求,即可見衛(wèi)星數(shù)大于4顆的問題。

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著GLONASS系統(tǒng)的逐步開始完善、GALILEO系統(tǒng)建設(shè)的啟動、以及GPS系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造的逐步開展,可用的GNSS衛(wèi)星數(shù)量大大增加。由于GPS、GLONASS和GALILEO使用不同的衛(wèi)星軌道,對它們進(jìn)行組合應(yīng)用,可以提高覆蓋區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)目,使組合GNSS系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)有更好的覆蓋;并有效提高衛(wèi)星定位服務(wù)的可靠性[3-9]。本文以高山峽谷地區(qū)及城市建筑群區(qū)域GNSS衛(wèi)星受山體及建筑物遮擋的實際問題為出發(fā)點(diǎn),研究討論組合GNSS系統(tǒng)可見的衛(wèi)星數(shù)目。利用GPS、GLONASS、GALILEO的軌道參數(shù)模擬衛(wèi)星星座,通過計算地球經(jīng)緯度格網(wǎng)上觀測到的衛(wèi)星站心坐標(biāo)及其高度角[4，10-11];分析不同遮擋條件下GNSS及其組合系統(tǒng)的的可見衛(wèi)星數(shù)目。

1模擬衛(wèi)星位置及測站可見衛(wèi)星高度角的計算

根據(jù)以上衛(wèi)星軌道參數(shù),可計算得t時衛(wèi)星在地心地固坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[4,10]

(1)

將其轉(zhuǎn)換為以測站為中心的站心坐標(biāo),即

(2)

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聯(lián)系人： 胡自全 E-mail: 287113131@qq.com

(3)

式中,BP,LP為測站所在位置的緯度和經(jīng)度。

采用距離r,方位A和高度角E表達(dá)站心極坐標(biāo)系,建立以XPY平面為基準(zhǔn)面,以P為原點(diǎn),以X軸為極軸的站心坐標(biāo)系?？捎嬎愕玫秸拘臉O坐標(biāo)系和站心直角坐標(biāo)之間的關(guān)系式

(4)

由式(4)得測站坐標(biāo)系下衛(wèi)星的方位角和高度角

A=arctanY/X,

(5)

(6)

2模擬實驗與結(jié)果分析

2.1　模擬實驗參數(shù)

采用GPS、GLONASS及GALILEO系統(tǒng)的軌道參數(shù)，如表1所示,選定WGS-84坐標(biāo)系,模擬出三個系統(tǒng)的衛(wèi)星星座。選取全球范圍內(nèi),5°×5°方格網(wǎng),時長24h,模擬采樣間隔5min每次。

表1　GPS/GLONASS/GALILEO系統(tǒng)參數(shù)

為研究單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)和三系統(tǒng)在不同的遮擋條件下的可用性,選取不同衛(wèi)星截止高度角對GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)及GPS/GLONASS、GPS/Galileo和GPS/GLONASS/Galileo組合系統(tǒng)衛(wèi)星可見性分析。

2.2　不同衛(wèi)星高度角可見衛(wèi)星

通過對GPS、GLONASS和Galileo及其組合系統(tǒng)可見星數(shù)仿真結(jié)果的計算分析得出GPS、GLONASS及Galileo系統(tǒng)在不同高度角下的可見星數(shù),并加以分析,部分結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

圖1　GPS、GLONASS及Galileo系統(tǒng)24 h內(nèi)可見衛(wèi)星個數(shù)的時空百分比(a) E=10°;(b) E=15°;(c) E=30°;(d) E=40°

圖2　采用雙系統(tǒng)組合時24 h內(nèi)可見衛(wèi)星個數(shù)的時空百分比 (a) E=10°;(b) E=30°;(c) E=40°;(d) E=50°

圖3　采用三系統(tǒng)組合時24 h內(nèi)可見衛(wèi)星個數(shù)的時空百分比(a) E=10°;(b) E=30°;(c) E=40°;(d) E=50°

圖1為單系統(tǒng)可見星數(shù)的分布圖,當(dāng)衛(wèi)星截止高度角為15°時,單個系統(tǒng)在任何時刻都有4顆以上的可見星。在不同截止高度角下,全天大部分時間里,Galileo系統(tǒng)的可見星數(shù)多于GPS和GLONASS系統(tǒng)。導(dǎo)航衛(wèi)星可見數(shù)目隨著衛(wèi)星高度角的增大而逐漸減少,在截止高度角為30°時,可見4顆以上GPS衛(wèi)星的時間占全天24小時的76%、GLONASS占81.5%、Galileo占100%。截止高度角為40°時,可見4顆及其以上GPS衛(wèi)星個數(shù)僅為15%、GLONASS占35%、Galileo為42%。在導(dǎo)航定位中,當(dāng)觀測條件較差、高度角較高的情況下,從可觀測的衛(wèi)星數(shù)目來分析,Galileo優(yōu)于GPS和GLONASS。從圖1(c)、(d)還可以看出GLONASS可見星數(shù)高于GPS,這是由于GLONASS軌道傾角較高的原因。

GPS/GLONASS組合系統(tǒng)共有48顆工作衛(wèi)星,GPS/Galileo組合系統(tǒng)由51顆工作衛(wèi)星。與單個系統(tǒng)相比,任意時刻的可見星數(shù)都將增加。由圖2可以看出,GPS/GLONASS組合系統(tǒng)在截止高度角較低(E=10°)的情況下,全天可以觀測到8顆以上的衛(wèi)星。截止高度角為30°時,全天有99.72%的時間可以觀測到4顆以上的衛(wèi)星。當(dāng)衛(wèi)星高度角提高到40°時全天有95.74%的時間可以觀測到4顆以上的衛(wèi)星。由圖2還可以看到GPS/Galileo組合系統(tǒng)的可見星數(shù)目比GPS/GLONASS組合要多。

GPS/GLONASS/Galileo三系統(tǒng)組合的工作衛(wèi)星達(dá)75顆,比雙系統(tǒng)組合有更多的可用衛(wèi)星。實驗結(jié)果如圖3所示,選取E=10°時,全天任意時刻和地點(diǎn)都可以觀測到14顆以上衛(wèi)星。衛(wèi)星高度角等于30°時,全天可以觀測到7顆以上衛(wèi)星。衛(wèi)星高度角等于40°時,全天有99.99%的時間可以觀測到4顆以上衛(wèi)星,98.16%的時間可以觀測到6顆以上衛(wèi)星。綜上可以得出結(jié)論,組合系統(tǒng)的衛(wèi)星可見性和系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于單一的GNSS系統(tǒng),三組合系統(tǒng)又優(yōu)于雙組合系統(tǒng)。

2.3　不同經(jīng)緯度可見衛(wèi)星

為研究組合系統(tǒng)在全球不同緯度衛(wèi)星可見情況,實驗選擇GPS、GLONASS及GALILEO系統(tǒng),衛(wèi)星遮擋分別為15°、30°、40°的情況下研究衛(wèi)星可見性,如圖4所示。

圖4　單系統(tǒng)不同遮擋高度下衛(wèi)星可見數(shù)

當(dāng)衛(wèi)星遮擋超過30°時GPS系統(tǒng)在全球大部分地區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)不足4顆;GLONASS系統(tǒng)在南北緯45°S～45°N之間不足4顆;GALILEO在全球范圍內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)4～5顆。因此,當(dāng)衛(wèi)星遮擋超過30°時,只有GALILEO系統(tǒng)可用。衛(wèi)星遮擋超過40°時,GPS、GLONASS、GALILEO但系統(tǒng)在全球大部分區(qū)域可見衛(wèi)星數(shù)不足4顆。

GNSS系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)目分布和衛(wèi)星軌道傾角及觀測站所在的經(jīng)緯度有關(guān)。GPS、GLONASS、GALILEO的軌道傾角分別為55°、64.8°和56°,GLONASS系統(tǒng)在高緯度地區(qū)的衛(wèi)星可見性優(yōu)于GPS和GALILEO.

為研究組合系統(tǒng)在全球不同緯度衛(wèi)星可見情況,實驗選擇GPS/GLONASS、GPS/GALILEO及GPS/GLONASS/GALILEO組合情況下衛(wèi)星高度角分別為30°、40°、50°的情況下研究衛(wèi)星可見性,如圖5所示。

圖5　組合系統(tǒng)不同遮擋高度下衛(wèi)星可見數(shù)

衛(wèi)星遮擋高度小于40°時,GPS/GLONASS、GPS/GALILEO及GPS/GLONASS/GALILEO組合可見衛(wèi)星數(shù)均大于4顆。衛(wèi)星遮擋高度小于50°時,GPS/GLONASS、GPS/GALILEO組合全球范圍內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)小于4顆;GPS/GLONASS/GALILEO三系統(tǒng)組合在南北緯70°S～70°N范圍內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)大于4顆。

3結(jié)束語

組合后的GNSS系統(tǒng)增加了可見的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)。組合GNSS系統(tǒng)的應(yīng)用突破了衛(wèi)星高度角對導(dǎo)航定位的限制,擴(kuò)展了衛(wèi)星定位的范圍,對位于城市建筑群、深山峽谷等高遮擋環(huán)境下實現(xiàn)導(dǎo)航定位及RTK測量具有重要的實際應(yīng)用意義。尤其是,在衛(wèi)星遮擋高度小于50°時的極端情況下采用三系統(tǒng)組合,可保證中低緯度地區(qū)導(dǎo)航定位、工程測繪及搜索救援方面的定位需求。

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胡自全(1983-),男,河南柘城人,工程師,碩士,注冊測繪師,主要研究方向為衛(wèi)星大地測量、變形監(jiān)測技術(shù)。

何秀鳳(1962-),女,江蘇泰州人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航定位、變形監(jiān)測技術(shù)、INSAR和GPS集成技術(shù)、GNSS/INS組合導(dǎo)航、3S集成技術(shù)。

Analysis the Visible Satellites of Combined GNSS System

HU Ziquan1,2,HE Xiufeng2

(1.Xi'anMetroCo.,Ltd,Xi'an710018,China; 2.InstituteofSatelliteNavigationandSpatial

InformationSystem,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Key words: GNSS; combined system; satellite; visibility