侯光華,韋武剛,顧超,袁輝
(61773部隊(duì),烏魯木齊 831400)
BDS區(qū)域系統(tǒng)定位性能及星座冗余性仿真分析
侯光華,韋武剛,顧超,袁輝
(61773部隊(duì),烏魯木齊 831400)
本文首先對(duì)北斗區(qū)域系統(tǒng)在一般服務(wù)區(qū)、重點(diǎn)服務(wù)區(qū)和主要戰(zhàn)略方向的定位性能進(jìn)行了分析和仿真;然后分別針對(duì)GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星出現(xiàn)失效衛(wèi)星時(shí)的情況,分析了北斗區(qū)域系統(tǒng)定位性能的變化,結(jié)果表明,北斗區(qū)域系統(tǒng)在服務(wù)區(qū)內(nèi)的定位性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),區(qū)域星座具有良好的冗余備份性,任意2顆衛(wèi)星發(fā)生故障都不會(huì)對(duì)定位性能造成明顯影響,不同類型衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)性能影響不同,GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)影響較大,而MEO衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)影響較小。因此在后續(xù)全球衛(wèi)星星座布設(shè)時(shí),要充分考慮GEO衛(wèi)星的在軌冗余性、IGSO衛(wèi)星對(duì)提高高緯度地區(qū)覆蓋性能的重要性以及MEO衛(wèi)星對(duì)擴(kuò)展全球系統(tǒng)性能的重要性。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);導(dǎo)航星座;定位性能;冗余完好性;衛(wèi)星失效
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是中國(guó)自主研制、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),與美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Glonass)以及歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)并列為全球四大導(dǎo)航定位系統(tǒng)。BDS可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、測(cè)速、授時(shí)服務(wù),并兼具短報(bào)文通信能力。系統(tǒng)于2012年12月27日完成區(qū)域階段部署,可為亞太大部分地區(qū)提供公開服務(wù),截止到2012年底,在軌工作衛(wèi)星有5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、4顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星和5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星[1]。
定位性能是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心指標(biāo)之一,關(guān)系到系統(tǒng)應(yīng)用的深度和廣度。本文基于BDS區(qū)域星座方案建立空間仿真模型,從幾何精度因子、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目和定位精度三個(gè)方面對(duì)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的定位性能進(jìn)行分析。同時(shí)研究在區(qū)域星座中出現(xiàn)失效衛(wèi)星時(shí)的定位性能,為后續(xù)全球系統(tǒng)的星座布設(shè)和性能優(yōu)化進(jìn)行有益探索,提供參考數(shù)據(jù)。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度取決于兩個(gè)方面:一是觀測(cè)量的精度;二是所觀測(cè)衛(wèi)星的空間幾何分布,通常稱為衛(wèi)星分布的幾何構(gòu)形。當(dāng)觀測(cè)量精度一定時(shí),衛(wèi)星星座的空間幾何構(gòu)形就成為影響系統(tǒng)定位精度的主要因素。當(dāng)參與定位的衛(wèi)星分布在相同的軌道高度上且衛(wèi)星類型相同時(shí)(比如GPS、Glonass、Glileo),它們具有相同的軌道誤差,所得的觀測(cè)量精度相同,這時(shí)只需要考慮定位星座的空間幾何分布,選取最優(yōu)的定位星座,即可獲得較小的GDOP值,進(jìn)而得到較高的定位精度。當(dāng)定位星座由分布在不同軌道高度上的異質(zhì)衛(wèi)星組成時(shí)(比如BDS),由于不同軌道上的衛(wèi)星具有不同的軌道誤差,每個(gè)衛(wèi)星的觀測(cè)量的精度就會(huì)有所不同。此時(shí)可以引入加權(quán)幾何精度因子,根據(jù)不同衛(wèi)星的不同測(cè)距誤差,對(duì)觀測(cè)值賦以相應(yīng)的權(quán)值,從而可以更加客觀地評(píng)估定位精度。
1.1 GDOP的定義和幾何意義
根據(jù)接收到衛(wèi)星測(cè)距值列出的方程組,并對(duì)方程組進(jìn)行線性化,得出偽距誤差的線性化方程可表示為
Δρ=H·P·Δx,
(1)
式中: Δx有4個(gè)分量,前3個(gè)分量是用戶離線性化點(diǎn)的位置偏移,第4個(gè)分量是用戶鐘差離線性化點(diǎn)的時(shí)間偏移。利用GDOP對(duì)定位精度分析時(shí)通常認(rèn)為各觀測(cè)值之間是獨(dú)立等精度的,即其權(quán)陣P為單位矩陣。Δρ是用戶實(shí)際偽距值和線性化點(diǎn)處的估計(jì)值的矢量偏移,H是一個(gè)n×4的矩陣。
(2)
式中:H表示用戶至導(dǎo)航衛(wèi)星的方向余弦矩陣;ej=(exjeyjezj)為近似用戶的線性化點(diǎn)指向第j顆衛(wèi)星的單位矢量。如果單位矢量ej的末端不是全在一個(gè)平面上,則對(duì)于可見(jiàn)星數(shù)n≥4均可用最小二乘法求解,協(xié)方差為
cov(Δx)=E(Δx·ΔxT)=(HT·P·H)-1·
cov(Δρ),
(3)
(HT·P·H)-1可以用分量形式表示為
(4)
根據(jù)表征不同分量的精度,精度因子(DOP)可分為:位置精度因子(PDOP)、水平分量精度因子(HDOP)、垂向分量精度因子(VDOP)、時(shí)間分量精度因子(TDOP)以及幾何精度因子(GDOP)。并分別由式(4)中矩陣對(duì)角線上的元素計(jì)算得到,分別表示為
(5)
(6)
(7)
(8)
1.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的加權(quán)精度衰減因子
加權(quán)精度衰減因子WGDOP,是采取對(duì)不同類型的衛(wèi)星測(cè)距值賦予一定的權(quán)值,權(quán)值大小反比于衛(wèi)星測(cè)距均方差,從而減小定位誤差[2]。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由GEO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星三種衛(wèi)星組成,不同軌道特性的衛(wèi)星定軌誤差和外推誤差不同導(dǎo)致其廣播星歷精度不等[3]。對(duì)于地球同步軌道的GEO衛(wèi)星來(lái)說(shuō),定軌時(shí)衛(wèi)星的鐘差難以分離,加上GEO衛(wèi)星受光壓影響很大,相同條件下由GEO衛(wèi)星星歷誤差引入的測(cè)距誤差約為MEO衛(wèi)星的兩倍。MEO衛(wèi)星測(cè)距誤差約為±8 m,GEO衛(wèi)星約為±11 m[2].IGSO衛(wèi)星在局部地區(qū)軌道測(cè)定精度較GEO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星來(lái)說(shuō)是最好的[3],但其軌道高度與GEO衛(wèi)星相同,所以受光壓影響也較大,這里假設(shè)它的測(cè)距精度與MEO衛(wèi)星相同。
在觀測(cè)值獨(dú)立的情況下可得到觀測(cè)值的協(xié)方差陣
(9)
(10)
其協(xié)方差矩陣為
cov(Δx)=E(Δx·ΔxT)=(HT·P·H)-1·
cov(Δρ) .
(11)
由此可得,加權(quán)GDOP可表示為
(12)
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前星座布局為5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星。仿真區(qū)域按照一般服務(wù)區(qū)、重點(diǎn)服務(wù)區(qū)設(shè)置,一般服務(wù)區(qū)為55°E-180°E,55°N-55°S,重點(diǎn)服務(wù)區(qū)為75°E-135°E,10°N-55°N.
利用STK軟件建立BDS星座仿真環(huán)境,設(shè)置仿真時(shí)間為24h,數(shù)據(jù)采樣間隔為60s,衛(wèi)星截止高度角為10°,仿真分析按照一般服務(wù)區(qū)、重點(diǎn)服務(wù)區(qū)、主要戰(zhàn)略方向及星座冗余和完好性四種方式進(jìn)行。
2.1 一般服務(wù)區(qū)仿真分析
將區(qū)域?qū)ο髣澐譃榻?jīng)緯度1°×1°的多個(gè)小方格進(jìn)行覆蓋性能分析,如圖1所示,圖中不同的灰度區(qū)域代表不同的GDOP大小。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示在一天內(nèi)平均GDOP值為2.9,最小值為1.2,最大值16.5,絕大部分地區(qū)的GDOP值都小于6.0,說(shuō)明目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)喬貐^(qū)形成有效的覆蓋。從圖1還可以看出服務(wù)區(qū)域內(nèi),整體趨勢(shì)為低緯度地區(qū)好于高緯度地區(qū),并且以經(jīng)度110°向兩側(cè)覆蓋逐漸變差,圖中不同的灰度區(qū)域代表不同的GDOP大小。
2.2 重點(diǎn)服務(wù)區(qū)仿真分析
重點(diǎn)服務(wù)區(qū)按照精度衰減因子、可見(jiàn)星數(shù)目及定位精度三種指標(biāo)進(jìn)行分析。
2.2.1 重點(diǎn)服務(wù)區(qū)精度衰減因子分析
將重點(diǎn)服務(wù)區(qū)劃分為經(jīng)緯度1°×1°的多個(gè)小方格,使用STK軟件分析GDOP的整體分布,結(jié)果如圖2所示,可以看出絕大部分地區(qū)的GDOP值小于5.0.
圖2 北斗區(qū)域系統(tǒng)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域GDOP分布圖
對(duì)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域的GDOP變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)顯示在一天內(nèi)GDOP變化平均值為2.6,最小值為1.334,最大值為6.177,如圖3所示。
2.2.2 重點(diǎn)服務(wù)區(qū)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)分析
對(duì)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示在一天內(nèi)平均可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目為10~11顆,最小值為6顆,最大值為14顆,如圖4所示。
2.2.3 重點(diǎn)服務(wù)區(qū)定位精度分析
考慮不同類型衛(wèi)星的測(cè)距誤差,對(duì)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域內(nèi)定位精度進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示在一天內(nèi)平均定位精度為9.0 m,最小值為4.3 m,最大值為27.4 m,如圖5所示。
圖3 北斗區(qū)域系統(tǒng)系統(tǒng)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域GDOP變化
圖4 BDS重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域接收衛(wèi)星數(shù)目變化
圖5 北斗區(qū)域系統(tǒng)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域定位精度變化
由圖2至圖5可以看出,BDS在重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域內(nèi)定位性能良好,達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo),低緯度地區(qū)性能更為優(yōu)越。但是在我國(guó)西部地區(qū)的個(gè)別時(shí)間段覆蓋相對(duì)較差,GDOP值在5和6之間。同時(shí)對(duì)比圖3、圖5,可以看出定位精度與GDOP值之間存在線性相關(guān)關(guān)系。
2.3 主要戰(zhàn)略方向仿真分析
在重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域內(nèi)選擇具有代表性的幾個(gè)戰(zhàn)略點(diǎn)位,分別為北京、哈爾濱、喀什、烏魯木齊、香港、拉薩作為具體分析對(duì)象。設(shè)置衛(wèi)星截止角度為10°,分析24 h內(nèi)各城市可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目、GDOP及定位精度變化情況,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
表1 主要戰(zhàn)略方向仿真分析結(jié)果
由表1可以看出,BDS在我國(guó)境內(nèi)的主要戰(zhàn)略方向具有非常好的覆蓋性能,尤其在低緯度地區(qū)定位性能更加優(yōu)越。
表1所示是在等測(cè)量精度的情況下得出的,由于BDS中有三種不同類型的衛(wèi)星,使用式(9)的加權(quán)精度衰減因子(WGDOP)對(duì)其覆蓋性能重新進(jìn)行分析,可以更加客觀地評(píng)價(jià)分析結(jié)果,如表2所示。
表2 主要戰(zhàn)略方向加權(quán)仿真分析結(jié)果
為了更加直觀的顯示使用WGDOP對(duì)定位性能的改善程度,選取北京作為分析對(duì)象,對(duì)比分析使用WGDOP前后的精度衰減因子及定位精度變化,結(jié)果如圖6所示。
圖6 北京精度衰減因子及定位精度對(duì)比分析結(jié)果
綜合對(duì)比表1、表2及圖6可得出,使用加權(quán)精度衰減因子處理后,在衛(wèi)星接收數(shù)目不變的情況下,精度衰減因子減小,定位精度也有了明顯改善,證明了使用加權(quán)精度衰減因子有利于提高整個(gè)服務(wù)區(qū)域的定位性能。
2.4 星座冗余和完好性分析
導(dǎo)航衛(wèi)星在苛刻的外太空環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,受到環(huán)境影響經(jīng)常出現(xiàn)衛(wèi)星故障、失效等情況,導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降,不同種類的衛(wèi)星失效對(duì)系統(tǒng)性能的影響也不同。
分別模擬GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星出現(xiàn)1~4顆衛(wèi)星失效時(shí),系統(tǒng)定位性能的變化。將重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域劃分為經(jīng)緯度1°×1°的小方塊進(jìn)行模擬分析,提取可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目、精度衰減引子、平面定位精度三個(gè)指標(biāo),分析研究系統(tǒng)冗余性和完好性,仿真分析結(jié)果如表3、表4、表5所示。失效衛(wèi)星為0,表示所有衛(wèi)星正常工作時(shí)系統(tǒng)的定位性能,以此作為基準(zhǔn)來(lái)對(duì)比分析。
表3 GEO衛(wèi)星失效仿真分析結(jié)果
表4 IGSO衛(wèi)星失效仿真分析結(jié)果
表5 MEO衛(wèi)星失效仿真分析結(jié)果
為了更加直觀的分析系統(tǒng)中出現(xiàn)失效衛(wèi)星時(shí)的性能,分別模擬出現(xiàn)4顆GEO衛(wèi)星失效或者4顆IGSO衛(wèi)星失效或者4顆MEO衛(wèi)星失效等極端情況時(shí),對(duì)系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行重點(diǎn)分析,結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。
圖7 4顆GEO衛(wèi)星失效時(shí)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的定位精度分布圖
圖8 4顆IGSO衛(wèi)星失效時(shí)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的定位精度分布圖
圖9 4顆MEO衛(wèi)星失效時(shí)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的定位精度分布圖
結(jié)合表3~表5、圖7~圖9可以看出
1) 當(dāng)有1-2顆衛(wèi)星失效時(shí),可見(jiàn)星數(shù)目和精度衰減因子變化不大。當(dāng)有3顆及以上的衛(wèi)星失效時(shí),不同類型的衛(wèi)星造成的影響不同:當(dāng)失效衛(wèi)星為GEO衛(wèi)星時(shí),最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目下降為3,說(shuō)明在部分時(shí)間段內(nèi),用戶將無(wú)法完成定位;當(dāng)失效衛(wèi)星為IGSO衛(wèi)星時(shí),可見(jiàn)星數(shù)目減少,精度衰減因子變差,部分地區(qū)定位精度下降較為嚴(yán)重;當(dāng)失效衛(wèi)星為MEO衛(wèi)星時(shí),可見(jiàn)星數(shù)目和精度衰減因子變化較小,個(gè)別地區(qū)定位精度略有下降。
2) GEO衛(wèi)星24 h可見(jiàn),對(duì)可見(jiàn)星數(shù)目、精度衰減因子和定位精度等系統(tǒng)服務(wù)性能影響最大。IGSO衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)性能影響僅次于GEO衛(wèi)星,MEO衛(wèi)星對(duì)區(qū)域系統(tǒng)的影響最小。
綜合分析可得出,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域內(nèi)具有較好的冗余性和完好性,在1~2顆衛(wèi)星因故障失效不能提供定位服務(wù)時(shí),整個(gè)星座性能并沒(méi)有大的改變,只是局部地區(qū)某時(shí)段的定位精度變差,在3顆及以上的衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)性能才有較大的下降,說(shuō)明星座設(shè)計(jì)對(duì)三種衛(wèi)星均具有較好的冗余性和完好性。
本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)域星座方案,使用STK軟件建立了模擬仿真系統(tǒng),從可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目、幾何精度因子、定位精度三個(gè)方面對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)分析了區(qū)域星座中出現(xiàn)故障衛(wèi)星時(shí)的系統(tǒng)性能。結(jié)果表明,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域內(nèi)平均定位精度小于10 m,平均GDOP小于3,可見(jiàn)星數(shù)量平均為10~11顆,最小可見(jiàn)星為6顆,最大為14顆。在一般服務(wù)區(qū)內(nèi)也達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。同時(shí)研究了在出現(xiàn)故障衛(wèi)星時(shí),系統(tǒng)的定位性能變化。結(jié)果表明,星座具有良好的冗余備份功能,任何2顆衛(wèi)星發(fā)生故障都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)服務(wù)性能造成太大影響。不同類型衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)性能影響不同, GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)的影響較大,而MEO衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)影響較小。因此在后續(xù)全球衛(wèi)星星座布設(shè)時(shí),要充分考慮GEO衛(wèi)星的在軌冗余性、IGSO衛(wèi)星對(duì)提高高緯度地區(qū)覆蓋性能的重要性以及MEO衛(wèi)星對(duì)擴(kuò)展全球系統(tǒng)性能的重要性。
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Simulation Analysis of Positioning Performance and Constellation Redundancy of BDS Regional System
HOU Guanghua,WEI Wugang,GU Chao,YUAN Hui
(Unit61773ofPLA,Urumqi831400,China)
Firstly the regional Beidou System in general service area, the focus of the service area and our country the main strategic direction of the positioning performance were analysis and simulation; then aiming at the satellite failure existing in the GEO, IGSO satellites and MEO satellites, analyzes the regional Beidou system performance changes. The results show that the positioning performance of the Beidou System in the service area reaches the design target. Regional constellation has a redundant backup good, any of the 2 satellite faults have no obvious influence on the positioning performance. Different types of satellite system performance in different impact, GEO satellites and IGSO satellite greater impact on the system, while a smaller impact on the system MEO satellite. So in the subsequent global satellite constellation layout, to fully consider the GEO satellite orbit redundancy, IGSO satellites to improve the coverage performance of the importance and MEO satellites to the expansion of the importance of the global system performance of the high latitudes.
BeiDou satellite navigation system; navigation constellation; positioning performance; redundancy integrity; satellite failure
2016-06-01
10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.003
P228.4
1008-9268(2016)06-0011-07
侯光華(1982-),男,陜西大荔人,工程師,主要研究方向?yàn)镚NSS精密定位及數(shù)據(jù)處理。
韋武剛 (1985-),男,陜西韓城人,工程師,主要研究方向?yàn)镚NSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及測(cè)試評(píng)估技術(shù)。
顧超 (1984-),男,新疆昌吉人,助理工程師,主要研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航星座設(shè)計(jì)。
袁輝 (1990-),男,陜西西安人,助理工程師,主要研究方向?yàn)镚NSS誤差分析。
聯(lián)系人:侯光華 E-mail: hgh0902@163.com