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2016-04-07 08:45:40蘇天祥藍柏強

導航定位學報訂閱 2016年1期 收藏

蘇天祥，辛　鑫，藍柏強，王　博，張　旭 ，曲　健，權(quán)　力

(1.汕頭導航站，廣東　汕頭　515071；2.國防信息學院，武漢　430000)

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衛(wèi)星失效對區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿挠绊?/p>

蘇天祥1，辛鑫1，藍柏強1，王博2，張旭1，曲健1，權(quán)力1

(1.汕頭導航站，廣東汕頭515071；2.國防信息學院，武漢430000)

摘要：可視衛(wèi)星數(shù)、位置精度因子和系統(tǒng)可用度是評估星座設計的重要指標。本文首先對區(qū)域?qū)Ш叫亲闹饕阅苓M行了分析和仿真；然后分別針對中高軌衛(wèi)星，靜止軌道衛(wèi)星和傾斜軌道衛(wèi)星失效后的情況，分析了區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿淖兓?；最后基于分析結(jié)果，給出了衛(wèi)星在軌備份的建議。

關(guān)鍵詞：導航星座；衛(wèi)星失效；可視衛(wèi)星數(shù)；位置精度因子；系統(tǒng)可用度

0引言

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)在軍事和民用方面應用的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導航技術(shù)已經(jīng)成為一個國家綜合實力的具體體現(xiàn)，同時也是國家重大戰(zhàn)略設施建設的基礎。我國于2003年建成北斗“雙星”定位系統(tǒng)，并緊接著開始了北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的建設。自2007年發(fā)射第一顆中圓軌道衛(wèi)星(medium Earth orbit，MEO)實驗星以來，我國進行了大量衛(wèi)星在軌試驗，為建成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)奠定了基礎，并于2010年后集中發(fā)射區(qū)域組網(wǎng)衛(wèi)星，于2012年10月份完成區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星組網(wǎng)，在同年12月份正式對亞太地區(qū)提供衛(wèi)星導航定位服務[1-3]。

我國區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)采用了5顆地球靜止軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbit，IGSO)衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道(medium Earth orbit，MEO)衛(wèi)星3類軌道14顆衛(wèi)星的組網(wǎng)形式，即“5GEO+5IGSO+4MEO”。坐標系統(tǒng)為中國大地坐標系2000(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)，時間系統(tǒng)為北斗時(BDS time，BDT)[4]。衛(wèi)星在軌運行時，由于空間的不定因素或人為干擾可能導致部分衛(wèi)星無法正常發(fā)播導航電文，即衛(wèi)星失效，從而導致整個區(qū)域?qū)Ш叫亲男阅芟陆?，會嚴重影響用戶導航定位精度。近年來，國?nèi)學者對BDS導航星座性能進行了大量的仿真和測試[5-8]，但對衛(wèi)星失效后導航星座性能變化的研究較少[9]。針對上述情況，本文首先分析了完整星座的導航性能，然后研究了部分衛(wèi)星失效后對導航系統(tǒng)的影響，最后針對導航性能惡化的程度給出衛(wèi)星在軌備份的策略。

1衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能指標

通常情況下，衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能指標包括：覆蓋范圍、可用性、連續(xù)性、完好性、精度、導航星歷更新率、系統(tǒng)容量等[10-11]。本文就可視衛(wèi)星數(shù)，空間幾何構(gòu)型，系統(tǒng)可用度3個指標進行了仿真分析。

1.1可視衛(wèi)星數(shù)

用戶可視衛(wèi)星數(shù)是指滿足用戶視場范圍最小仰角要求且參與用戶導航定位解算的衛(wèi)星。通常在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中至少需要4顆衛(wèi)星可視，如果需要對系統(tǒng)進行接收機自主完好性監(jiān)測，則至少要達到5顆可視衛(wèi)星才能完成故障檢測任務，而如果是排除故障則最少需要6顆可視衛(wèi)星才能滿足要求[8，12]。

1.2空間幾何構(gòu)型

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的空間幾何構(gòu)型對系統(tǒng)定位精度有著直接影響，通常用幾何精度衰減因子(position dilution of precision，PDOP)、授時精度衰減因子(time dilution of precision，TDOP)來衡量[13]。用戶導航定位精度和授時精度直接由用戶等效測距誤差(user equivalent range error，UERE)和PDOP值、TDOP值決定

SXYZ=SUERE×mPDOP

(1)

ST=SUERE×mTDOP

(2)

式(1)及式(2)中，SXYZ和ST分別為導航定位精度、授時精度；SUERE值為系統(tǒng)等效測距誤差，代表系統(tǒng)物理性能；而mPDOP值為參與接收機定位的衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型強度；mTDOP一定程度上反映了授時精度的好壞。本文以mPDOP值作為評價星座導航定位性能的指標。

1.3系統(tǒng)可用度

導航系統(tǒng)的可用性是指導航系統(tǒng)在指定覆蓋區(qū)域內(nèi)提供服務時可以使用時間的百分比，它主要和空間環(huán)境以及發(fā)射機等硬件性能有關(guān)[14]。本文中的導航系統(tǒng)可用度是以限制PDOP值為基礎來定義的，即當區(qū)域內(nèi)時，則認為系統(tǒng)可用，其中為門限值[15]在覆蓋范圍內(nèi)以經(jīng)緯度劃分的網(wǎng)格點，系統(tǒng)可用度可以通過計算各個網(wǎng)絡點在星座內(nèi)的PDOP值來得到。網(wǎng)格點上的可用度和整個服務區(qū)的可用度計算為

(3)

(4)

2仿真分析

2.1場景設置

目前，BDS是一個區(qū)域性導航系統(tǒng)，其中空間部分是由5 顆GEO衛(wèi)星、4顆MEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星組成。GEO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，分別定點于58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E；MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km，軌道傾角55°；IGSO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，軌道傾角55°[4]?！?GEO+5IGSO+4MEO”3類軌道共14顆衛(wèi)星組成導航星座?？臻g星座如圖1所示，星座的星下點軌跡如圖2所示，而圖3給出了以世界協(xié)調(diào)時(coordinated universal time，UTC)2013年7月某天0時歷元時刻為基準，用平面投影表示的衛(wèi)星軌道，其中橫坐標為升交點赤經(jīng)(right ascension ascending node，RAAN)，縱坐標為平近點角(M)。

覆蓋區(qū)域為5°N～55°N，70°E～140°E，緯度和經(jīng)度均以1°為單元進行網(wǎng)格劃分，PDOP門限值分別取4、5和6，用戶高度截止角為15°。

圖1　BDS空間星座

圖2　BDS星下點軌跡(UTC 2014.07.XX.00：00：00)

圖3　BDS星座二維平面圖

2.2場景仿真及結(jié)果分析

分別仿真在區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星完整、GEO衛(wèi)星失效、IGSO衛(wèi)星失效以及MEO衛(wèi)星失效等場景下，覆蓋區(qū)域內(nèi)導航定位的性能指標，并對其變化進行評估。

表1　衛(wèi)星失效前后衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能比對表

由上表可以看出，GEO衛(wèi)星中的G5號衛(wèi)星，IGSO衛(wèi)星中的I3號星和MEO衛(wèi)星中的M2號衛(wèi)星對導航性能的影響較大。下面分別就星座完整以及G5、I3和M2衛(wèi)星失效等情況，對區(qū)域內(nèi)的可視衛(wèi)星數(shù)、PDOP值和系統(tǒng)可用度進行仿真。

(1)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)對比

如圖4至圖7所示，星座完整時區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)的可視衛(wèi)星數(shù)基本可以達到8顆以上，并且在區(qū)域中間部分分布較為集中；當GEO-5失效后，區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)基本可以達到7顆以上，但是區(qū)域內(nèi)西側(cè)邊的可視衛(wèi)星數(shù)的分布有了明顯變化，這是因為GEO-5離我國區(qū)域較遠(如圖2所示)，它的失效將會引起區(qū)域以西衛(wèi)星分布的變化；IGSO-3失效后區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)可視衛(wèi)星數(shù)在7顆以上，但是在衛(wèi)星分布上發(fā)生了變化，這主要是由于IGSO是周期性傾斜軌道衛(wèi)星，它的失效會導致區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)的變化；而MEO-2失效區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)仍為8顆左右，這是因為MEO的作用是為了改善星座構(gòu)型，與IGSO形成互補，因此MEO的失效對區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星可視數(shù)的影響不大，但會影響區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星的分布情況。

圖4　星座完整時區(qū)域可視衛(wèi)星分布

圖5　GEO-5衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布

圖6　IGSO-3衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布

圖7　MEO-2衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布

(2)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)PDOP值對比

如圖8至圖11所示，星座完整時區(qū)域內(nèi)的PDOP值基本保持在2.6以下，中間區(qū)域部分在2以下，幾何構(gòu)型較好；但GEO-5失效后，區(qū)域內(nèi)PDOP值及分布發(fā)生了明顯變化，其原因是GEO-5處在我國上空的西側(cè)，失效后則會影響星座幾何構(gòu)型，使得該區(qū)域的觀測幾何發(fā)生變化，導致PDOP值變大，其中區(qū)域靠西測PDOP值變化較為明顯；而IGSO-3失效后造成的區(qū)域內(nèi)PDOP值增大，是因為IGSO-3單獨占據(jù)一個軌道面，對區(qū)域的觀測幾何有著重要影響，一旦失效必然會引起PDOP值及其分布的變化；由于MEO和IGSO形成空間上的互補，且變化周期短，所以MEO失效后PDOP值分布的變化與IGSO失效的情況類似。

圖8　星座完整時區(qū)域PDOP值分布

圖9　GEO-5衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布

圖10　IGSO-3衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布

圖11　MEO-2衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布

(3)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)可用度對比

如圖12所示，當系統(tǒng)可用度要求PDOP≤4時，GEO-5失效后可用度下降較為明顯，在中午12時附近系統(tǒng)可用度降至10%以下；當系統(tǒng)可用度要求PDOP降低到5時，GEO-5失效后的系統(tǒng)可用度有較為明顯的改善，但在12點附近可用度仍達不到50%；當PDOP放寬到6時，GEO-5失效后系統(tǒng)可用度全天基本可以達到90%以上。IGSO-3 和MEO-2失效后的系統(tǒng)可用度隨PDOP值的變化趨于類似GEO-5。這與本文定義的系統(tǒng)可用度相吻合，即隨著PDOP值門限條件的放寬，衛(wèi)星失效對系統(tǒng)可用度影響逐漸降低。針對不同衛(wèi)星失效后在不同PDOP條件下的系統(tǒng)可用度進行數(shù)學統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖13所示。由圖13可以更明顯地反映出不同PDOP條件對系統(tǒng)可用度的影響趨勢。

圖12　失效衛(wèi)星與系統(tǒng)可用度關(guān)系

圖13　3種PDOP值下系統(tǒng)可用度統(tǒng)計值

3結(jié)束語

隨著我國BDS衛(wèi)星導航事業(yè)的不斷進步，提高系統(tǒng)可用度和完好性是發(fā)展的必然趨勢。本文就單顆衛(wèi)星失效后對區(qū)域衛(wèi)星導航的影響進行了分析，通過分別對3類衛(wèi)星的可視衛(wèi)星數(shù)、PDOP值和系統(tǒng)可用度3個指標進行仿真，找出了影響系統(tǒng)性能較大的衛(wèi)星。在不考慮衛(wèi)星在軌狀態(tài)(在軌壽命、載荷性能等因素)的條件下，增加在軌備份星時，應先考慮在對系統(tǒng)影響較大的衛(wèi)星附近進行衛(wèi)星備份。但本文并沒有考慮兩顆衛(wèi)星或者兩顆以上衛(wèi)星同時失效對導航性能的影響，下一步工作將針對兩顆衛(wèi)星或者多顆衛(wèi)星同時失效進一步研究。此外，在實際中如何確定在軌備份衛(wèi)星選取判別的標準，還需考慮衛(wèi)星在軌時間以及壽命等多種因素。

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The Influence on Performance of the Region Navigation Constellation with Failure Satellite

SUTianxiang1，XINXin1，LANBaiqiang1，WANGBo2，ZHANGXu1，QUJian1，QUANLi1

(1.Shantou Navigation Station，Shantou 515071，China；2.PLA Academy of National Defense Information，Wuhan 430000，China)

Abstract：The numbers of visible satellites，position dilution of precision and system availability are three important indicators assessing the performance of the satellite constellation.The main performance of the region satellite navigation constellation is analyzed and simulated firstly.Then，the influence of the main performance is analyzed respectively by the failure for the medium-orbit satellites，the geostationary satellites and the inclined geostationary satellites.Based on the analysis of the results，the suggestion of the in-orbit satellite backup is given at last.

Key words：navigation constellation；satellite failure；number of visible satellites；PDOP；system availability

中圖分類號：P228

文獻標識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0050-05

作者簡介：第一蘇天祥(1984—)，男，甘肅莊浪人，工程師，主要從事衛(wèi)星導航定位工程研究。

收稿日期：2015-06-12

引文格式：蘇天祥，辛鑫，王博，等.衛(wèi)星失效對區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿挠绊慬J].導航定位學報，2016，4(1)：50-54.(SU Tianxiang，XIN Xin，LAN Baiqiang，et al.The Influence on Performance of the Region Navigation Constellation with Failure Satellite[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：50-54.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160110.

導航定位學報2016年1期

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