北斗混合星座DOP值與定位性能分析

王鵬旭,呂志偉

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450001;2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001)

北斗混合星座DOP值與定位性能分析

王鵬旭1,2,呂志偉1,2

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450001;2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001)

區(qū)別于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于增加了GEO與IGSO兩種衛(wèi)星構(gòu)成了混合星座,這兩種衛(wèi)星在設(shè)計(jì)覆蓋區(qū)域均具有較高的衛(wèi)星利用率,能夠?qū)喬貐^(qū)導(dǎo)航和定位進(jìn)行加強(qiáng),這也符合我國北斗從區(qū)域走向全球的發(fā)展實(shí)際。但GEO、IGSO為高軌道衛(wèi)星,且GEO衛(wèi)星軌道分布比較特殊,會對星座幾何構(gòu)型及衛(wèi)地空間構(gòu)型產(chǎn)生影響,利用STK(Satellite Tool Kit)仿真出單GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO等幾種星座,在中國各個(gè)地方建立地面站,得到不同地面站在不同時(shí)段的精度因子(DOP)值,從而對幾種星座的區(qū)域定位性能以及不同衛(wèi)星對衛(wèi)地空間構(gòu)型的影響進(jìn)行分析。

混合星座;精度因子(DOP);區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);STK

0 引 言

遵循“先區(qū)域、后全球”的總體思路,我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按“三步走”的發(fā)展規(guī)劃穩(wěn)步有序推進(jìn),2012年10月份完成區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星組網(wǎng),在同年12月份正式公布對亞太地區(qū)提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù),系統(tǒng)的空間段當(dāng)時(shí)已由5顆GEO衛(wèi)星,5顆IGSO衛(wèi)星(其中2顆為備用),4顆MEO衛(wèi)星構(gòu)成[1]。由于GEO衛(wèi)星的相對靜止分布特性,可滿足某一區(qū)域全天候覆蓋的要求,因此國際上也普遍采用在原有衛(wèi)星資源的基礎(chǔ)上利用GEO衛(wèi)星或GEO與IGSO衛(wèi)星相結(jié)合的方式建立了各種區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng),如美國的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS),便是在原有GPS衛(wèi)星的基礎(chǔ)上增加幾顆GEO衛(wèi)星構(gòu)成了一個(gè)星基型廣域差分GPS;歐洲的地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)(EGNOS)通過發(fā)射幾顆GEO衛(wèi)星來增強(qiáng)GPS/GLONASS兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度,以提高用戶定位導(dǎo)航性能;此外還有日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)(MSAS)等[2]。但是GEO、IGSO為高軌衛(wèi)星,且GEO衛(wèi)星分布大致在一條圓形軌道上,對比其他純MEO星座的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),會對星座幾何構(gòu)型及衛(wèi)地空間構(gòu)型產(chǎn)生影響[3]。本文利用STK軟件仿真出幾種星座組合,求出不同地面站各個(gè)時(shí)段的DOP值,從而對北斗混合星座的區(qū)域定位性能以及不同衛(wèi)星對衛(wèi)地空間構(gòu)型的影響進(jìn)行分析。

美國AGI公司開發(fā)的STK軟件是航天領(lǐng)域中先進(jìn)的系統(tǒng)仿真分析軟件,在世界航天工業(yè)界具有較高的知名度。STK主要用于分析復(fù)雜的陸地、海洋、航空及航天任務(wù)。它可提供逼真的三維可視化動態(tài)場景以及精確的圖表、報(bào)告等多種分析結(jié)果,支持衛(wèi)星壽命的全過程,是一個(gè)快速了解空間飛行任務(wù)中多學(xué)科交叉內(nèi)容十分強(qiáng)大而靈活的軟件工具[4]。本文采用STK9.2.1作為仿真工具。

1 精度因子(DOP)

(1)

定義權(quán)逆陣Qxx=(ATA)-1,則可以得到精度因子為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中,GDOP表示用戶與可見衛(wèi)星空間幾何分布的好壞,與用戶與衛(wèi)星構(gòu)成的空間多面體的體積成反比關(guān)系。

2 觀測站的建立及STK覆蓋分析

為了詳細(xì)分析北斗混合星座區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能,本文首先利用STK仿真出北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)星座,再選取幾個(gè)地面站,利用STK覆蓋分析功能求取各時(shí)段各地面站的GDOP值進(jìn)行分析。

2.1 觀測站的建立

在中國全境從南到北選取了三亞、長沙、西安、烏魯木齊、漠河共5個(gè)測站,基本代表了中國全境,其概略坐標(biāo)如表1所示。

表1 國內(nèi)5個(gè)觀測站的經(jīng)緯度

2.2 STK覆蓋分析

STK共提供了三種方法建立衛(wèi)星對象:一是直接從該軟件數(shù)據(jù)庫里加載衛(wèi)星對象;二是利用STK里面的Orbit Wizard(軌道向?qū)?輸入軌道參數(shù)建立衛(wèi)星對象;三是通過下載北美防空司令部的兩行星歷數(shù)據(jù)(TLE)格式導(dǎo)入。本文采用第三種方法通過下載兩行星歷數(shù)據(jù)構(gòu)建衛(wèi)星對象。

利用STK軟件的覆蓋分析模塊里面Coverage Definition和Figure of Merit功能可以定義覆蓋范圍和評估覆蓋資源的覆蓋品質(zhì)參數(shù),本文定義的覆蓋范圍為全球(Global),覆蓋品質(zhì)參數(shù)(FOM)選DOP,可以得到某一時(shí)刻的GDOP分布渲染圖,也可以得到設(shè)定時(shí)間段內(nèi)各歷元GDOP值及圖表并輸出。

3 混合星座定位性能分析

以GEO衛(wèi)星為參照,構(gòu)建單GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO共4種星座,分別仿真出設(shè)定時(shí)間段內(nèi)(本文為下載的2015年12月3日一整天的星歷數(shù)據(jù))不同星座下區(qū)域GDOP分布圖及各地面站GDOP值,通過比較加入其它衛(wèi)星之后對單GEO星座的定位性能的改善可以得出混合星座的定位性能(注:本文仿真衛(wèi)星包括截止到2015.09.30第20顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空后目前所有在正常在軌運(yùn)行的5顆GEO,7顆IGSO及5顆MEO衛(wèi)星)。

3.1 單GEO星座

根據(jù)星歷數(shù)據(jù)仿真出的純GEO星座以及某時(shí)刻的GDOP值分布圖,分別如圖1和圖2所示。

圖1 單GEO星座

圖2 單GEO星座某時(shí)刻GDOP值分布

把全部GEO衛(wèi)星與各個(gè)測站分別關(guān)聯(lián),可得到如表2所示的各測站一天內(nèi)GDOP最大值,最小值及平均值。

表2 單GEO星座下各測站GDOP值

表中數(shù)據(jù)說明了兩個(gè)問題:一是GDOP值過大,就定位精度有效性而言不可用,也就是不能直接用于定位；二是GDOP值隨緯度變化呈現(xiàn)出規(guī)律,即隨緯度增大而增大,換言之低緯度精度高,高緯度精度低,從圖2也可以看出這種趨勢。

出現(xiàn)這種狀況的原因乃是GEO衛(wèi)星大致分布于一條圓形軌道上,如圖1所示,衛(wèi)星與地面站的空間幾何構(gòu)型很差,所以不能直接用于定位。在我國北斗一代區(qū)域有源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,對于這個(gè)問題的解決乃是通過地面站提供電子地圖高程值從而完成輔助定位。

3.2 GEO/IGSO混合星座

按照我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”的發(fā)展規(guī)劃,2010年8月1日,第一顆北斗IGSO衛(wèi)星發(fā)射升空,標(biāo)志著北斗二代區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開始部署[3],如今已有7顆IGSO衛(wèi)星發(fā)射升空并分布于傾角為55°的3個(gè)傾斜地球同步軌道上(2顆為備份衛(wèi)星)。

根據(jù)星歷數(shù)據(jù)仿真出的GEO/IGSO混合星座以及某時(shí)刻的GDOP值分布圖,分別如圖3,圖4所示。

圖3 GEO/IGSO混合星座

圖4 GEO/IGSO混合星座某時(shí)刻GDOP值分布

同理,可得各測站一天內(nèi)GDOP最大值,最小值及平均值,如表3所示。

表3 GEO/IGSO星座下各測站GDOP值

通過表3與表2比較可以發(fā)現(xiàn):一是GDOP值大大改善,維持在正常水平(常見星座設(shè)計(jì)中GDOP不大于6)可直接用于定位。二是隨緯度的增大依然有增大趨勢,但變化幅度比較小,從圖4也可以看到這種趨勢。

加入IGSO衛(wèi)星之后,GDOP值之所以會有較大的改善,文獻(xiàn)[1]在研究區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航星座方案時(shí)指出,IGSO衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡呈8字形分布,在設(shè)計(jì)覆蓋區(qū)內(nèi)具有約80%的利用率,可大大改善衛(wèi)星與地面站的空間幾何構(gòu)型,與GEO組合是區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較理想的設(shè)計(jì)方案,也因此成為了我國北斗二代區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

3.3 GEO/MEO混合星座

2012年以后,MEO不斷發(fā)射升空,截止本文下載軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)已有5顆MEO衛(wèi)星分布于2個(gè)傾角為55°的的軌道平面上,標(biāo)志著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)加速全球布網(wǎng),由區(qū)域走向全球的步伐正在逐步加快[3],根據(jù)星歷數(shù)據(jù)仿真出的GEO/MEO混合星座以及某時(shí)刻的GDOP值分布圖,如圖5,圖6所示。

圖5 GEO/MEO混合星座

圖6 GEO/MEO混合星座某時(shí)刻GDOP值分布

同理,把全部GEO/MEO衛(wèi)星與各個(gè)測站分別關(guān)聯(lián),可得到如下表所示各測站一天內(nèi)GDOP最大值,最小值及平均值,如表4所示。

表4 GEO/MEO混合星座下各測站GDOP值

由表4可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題:一是GDOP值不穩(wěn)定,波動區(qū)間較大,難以直接定位;二是GDOP值最小值均小于前面兩種星座。

之所以出現(xiàn)這種情況,乃是因?yàn)镸EO是為全球定位系統(tǒng)部署的中高軌衛(wèi)星,文獻(xiàn)[1]中也指出中高軌衛(wèi)星(MEO)在設(shè)計(jì)覆蓋區(qū)的利用率比較低,約為37%,而目前北斗MEO衛(wèi)星還處于部署階段,只有5顆在運(yùn)行,目前單就MEO衛(wèi)星而言,地面站最小可見衛(wèi)星數(shù)目為0的情況也會經(jīng)常出現(xiàn),此時(shí)就變成了單GEO星座定位,即圖4中GDOP最大值出現(xiàn)的情況,但也有可見性比較好的時(shí)段,即表3中出現(xiàn)的情況?？梢灶A(yù)估的是隨著未來北斗MEO衛(wèi)星的陸續(xù)部署,衛(wèi)星可見數(shù)也會大大改善,該種混合星座的定位性能會優(yōu)于GEO/IGSO混合星座[6].

3.4 GEO/IGSO/MEO混合星座

相比其他定位系統(tǒng),在原北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)以及北斗二代區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的北斗全球定位系統(tǒng)有其自身的特色,即增加了GEO與IGSO衛(wèi)星可對亞太地區(qū)的導(dǎo)航和定位進(jìn)行增強(qiáng)。

根據(jù)星歷數(shù)據(jù)仿真出的GEO/IGSO/MEO混合星座以及某時(shí)刻的GDOP值分布圖,如圖7、圖8所示。

圖7 GEO/IGSO/MEO混合星座

圖8 GEO/IGSO/MEO混合星座某時(shí)刻GDOP值分布圖

同理,把全部GEO/IGSO/MEO衛(wèi)星與各個(gè)測站分別關(guān)聯(lián),可得各測站一天內(nèi)GDOP最大值,最小值及平均值,如表5所示。

表5 GEO/IGSO/MEO混合星座下各測站GDOP值

通過表5與表2、表3、表4對比后可以發(fā)現(xiàn):一是GDOP值較小且維持在正常水平; 二是GDOP值隨緯度變化的趨勢已經(jīng)不太明顯,從圖6中也可以看出來,說明當(dāng)前的混合星座對亞太地區(qū)均能維持一個(gè)比較理想的定位精度。

4 結(jié)束語

本文利用STK仿真出北斗單GEO、GEO/IGSO、GEO/MEO、GEO/IGSO/MEO幾種混合星座,通過分析設(shè)定測站各時(shí)段GDOP值分布,得到了不同混合星座的區(qū)域定位性能以及不同衛(wèi)星對衛(wèi)地空間構(gòu)型的影響。其中GEO/IGSO/MEO全星座定位性能最優(yōu),其次是GEO/MEO星座,再次是GEO/IGSO星座,最差的是單GEO星座。但就目前的衛(wèi)星部署來說,GEO/MEO星座定位性能并不及GEO/IGSO星座。

就目前的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)而言,IGSO衛(wèi)星對區(qū)域定位性能的的貢獻(xiàn)應(yīng)該是最大的。隨著MEO衛(wèi)星的不斷部署,北斗也將逐步由區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)過渡到全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng),亞太區(qū)域的定位精度也將會得到進(jìn)一步提升與改善。

[1]Chinese Satellite Navigation System Management Office. Beidou satellite navigation system development report (version 2.0)[R]. 2012.

[2]YANG Y X, LI J L, XU J Y. Contribution of the Compass Satellite Navigation System to global PNT users [J]. Chinese Science Bulletin,2011,56(26):34-56.

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Mixed Beidou Constellation DOP Value and Positioning Performance Analysis

WANG Pengxu1,2,Lü Zhiwei1,2

(1.InstituteofNavigationandAerospaceTarget,UniversityofInformationEngineering,Zhengzhou450001,China;2.BeidouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China)

Different from other satellite navigation system, the beidou satellite navigation system due to the increased GEO and IGSO satellites form the hybrid constellation, because these two kinds of satellite coverage in the design region as high utilization rate of satellite navigation and positioning in the Asia-pacific region can be strengthened, which accords with the practice of the development of China's Beidou from regional to global. But GEO, IGSO especially GEO for high orbit satellite, and the peculiar of GEO orbit, the constellation effect on structure of geometry configuration and positioning model, in this paper, by using the STK(Satellite Tool Kit) simulation of single GEO, GEO/IGSO, GEO, MEO, such as GEO/IGSO/MEO constellation, in various parts of China to establish a ground station and get a different sites at different times of the Dilution of precision (DOP) value, thus for several element of regional positioning performance and the influence of different satellite on who to space configuration is analyzed.

Hybrid constellation; dilution of precision; regional satellite navigation system; STK

2016-07-02

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.002

P228.4

1008-9268(2016)06-0006-05

王鵬旭(1991-),男,碩士,主要從事網(wǎng)絡(luò)RTK與北斗三頻基線解算相關(guān)方面研究。

呂志偉(1974-),男,教授,主要從事網(wǎng)絡(luò)RTK、精密衛(wèi)星定位等方面的教學(xué)與研究工作。

聯(lián)系人：王鵬旭 E-mail: 752971292@qq.com