IGSO/GEO衛(wèi)星對北斗系統(tǒng)導航性能的貢獻分析

肖樂杰,孫付平,李亞萍,彭文生,蔡韌鳴

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001)

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IGSO/GEO衛(wèi)星對北斗系統(tǒng)導航性能的貢獻分析

肖樂杰,孫付平,李亞萍,彭文生,蔡韌鳴

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為全球四大系統(tǒng)之中是唯一采用IGSO/GEO/MEO異構(gòu)星座的導航系統(tǒng)。通過STK仿真分析IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座的衛(wèi)星可見數(shù)、位置精度衰減因子和定位精度等指標,確定IGSO/GEO衛(wèi)星在單站和全球情況下對北斗星座導航性能的影響,給出IGSO/GEO衛(wèi)星對北斗導航性能增強的區(qū)域。這對IGSO/GEO衛(wèi)星應用于導航系統(tǒng)起到一定理論支撐作用。

IGSO/GEO衛(wèi)星;導航性能;衛(wèi)星可見數(shù);位置精度衰減因子;定位精度

0　引　言

我國設計建設的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)在中國及周邊區(qū)域提供導航定位服務[1]。按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,到2020年,北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的異構(gòu)星座將由5顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星、27顆MEO衛(wèi)星構(gòu)成,并提供全球PNT服務?，F(xiàn)階段,北斗星座導航性能研究主要集中于區(qū)域或全球范圍內(nèi)衛(wèi)星可見數(shù)、位置精度衰減因子和定位精度等方面[2-7]。針對北斗星座中所特有的IGSO/GEO衛(wèi)星的研究只是停留在定位分析層面,沒有涉及到其對北斗系統(tǒng)導航性能的貢獻分析[8]?；诖?本論文在仿真北斗IGSO/GEO/MEO異構(gòu)式星座的基礎上對北斗IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座在單站和全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星可見數(shù)、PDOP值和定位精度等性能指標進行詳細的模擬分析,進而以確定IGSO/GEO衛(wèi)星對北斗星座性能的影響。

1　星座結(jié)構(gòu)仿真

依據(jù)中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室所發(fā)布的《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)公開服務性能規(guī)范》中的數(shù)據(jù)進行仿真,星下點軌跡如圖1所示:5顆GEO衛(wèi)星相對靜止在東南亞赤道上空;3顆IGSO的星下點軌跡形如“8”字形分布在中國大陸周邊上空;

虛線部分代表實現(xiàn)全球覆蓋的27顆MEO衛(wèi)星。 從星下點軌跡圖可以看出:3顆IGSO衛(wèi)星可使部分區(qū)域用戶擁有更多選擇。

圖1　星下點軌跡

2　對比分析

對導航星座而言,連續(xù)覆蓋指標用衛(wèi)星可見數(shù)表示。而導航系統(tǒng)的空間構(gòu)型指標可通過精度衰減因子(DOP)值和定位精度來描述。而本文以位置精度衰減因子(PDOP)為標準,將用戶所關(guān)心的位置定位精度表示為[9]:定位精度=UERE×PDOP, UERE為用戶等效距離誤差。等效距離誤差是根據(jù)導航衛(wèi)星至接收機的路徑上的各種影響因素(例如電離層、對流層等)預測的偽距觀測值的變化值。

本文通過STK軟件仿真分析北斗IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座的衛(wèi)星可見數(shù)、位置精度衰減因子PDOP值和定位精度來評估IGSO/GEO衛(wèi)星對系統(tǒng)的貢獻。仿真時間為2015年3月30日04時—2015年3月31日04時;分析范圍為單站和全球兩種情況;采樣間隔為300 s;經(jīng)緯度網(wǎng)格為2°×2°;衛(wèi)星最低高度角為5°;在標準定位情況下MEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星的等效距離誤差UERE為7 m; GEO衛(wèi)星的UERE值為11 m[10]。

2.1單點情況

根據(jù)對圖1的星下點軌跡的初步分析,選取單站做分析。參考站點選擇遵循以下原則:

1) 選取高中低緯地區(qū)站點,以便對比分析北斗IGSO/GEO衛(wèi)星在高中低緯度地區(qū)的增強作用;

2) 選取兩個緯度大致相同經(jīng)度差別較大的站點進行對比分析。

按照以上原則及圖1所示中IGSO/GEO衛(wèi)星的星下點軌跡,選取亞太國家5個觀測站,Markov,San Francisco,Shijiazhuang,Singapore,Melbourne等觀測站點基本覆蓋了從南北半球的高中低緯度地區(qū),San Francisco站和Shijiazhuang站緯度相近。站點位置如圖2所示,站點的具體位置如表1所示。

圖2　站點分布

表1　站點詳細分布

2.1.1衛(wèi)星可見數(shù)對比分析

通過對比圖3的單站衛(wèi)星可見數(shù)可以確定在MEO星座條件下,只有Markov站和Melbourne站平均衛(wèi)星可見數(shù)目在10顆左右,其他5個觀測站的平均值都在8顆左右。在MEO星座加入IGSO/GEO衛(wèi)星之后各站衛(wèi)星可見數(shù)都有所增加,Markov、Singapore、Shijiazhuang、Melbourne站等位于西太平洋地區(qū)4站的平均衛(wèi)星可見數(shù)達到15顆以上,增加50%以上。特別是Markov和Singapore兩站平均衛(wèi)星可見數(shù)增幅分別達到了69%和112%。位于太平洋彼岸的San Francisco站平均衛(wèi)星可見數(shù)由7.71增加為7.86,基本沒有變化,這也說明緯度接近Shijiazhuang站的衛(wèi)星可見數(shù)目變化絕對變化值比San Francisco的大。這主要因為IGSO/GEO衛(wèi)星沒有覆蓋到San Francisco站的區(qū)域。

圖3　站點衛(wèi)星可見數(shù) (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站　　　(d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

2.1.2PDOP值對比分析

根據(jù)圖4可以得到,在只有MEO導航衛(wèi)星的情況下5個站點的PDOP平均值大致為1.8～2.0之間,且最大PDOP值都在2.50左右,最小值也在1.35左右,這種情況符合常規(guī)Walker24/3/1星座的性能要求。MEO星座加入IGSO/GEO衛(wèi)星后各站PDOP值變化不一,位于西亞太的Markov、Shijiazhuang、Singapore、Melbourne的四站點的PDOP最小值、最大值、平均值都有一定程度的降低。平均值由1.9左右降低到1.3左右,減幅為32%左右;最大值由2.5左右降為1.5左右,減幅為40%左右;最小值由1.35左右降為1.1左右,減幅為19%左右。但San Francisco站點各項PDOP值基本沒有變化。這也說明了北斗IGSO/GEO衛(wèi)星對改善北斗MEO衛(wèi)星星座的空間結(jié)構(gòu)有一定的積極作用,特別是對改善系統(tǒng)在西太平洋地區(qū)的星座空間結(jié)構(gòu)有較大貢獻。

2.1.3定位精度對比分析

根據(jù)圖5可以得到,在只有MEO導航衛(wèi)星的情況下5個站點的定位精度平均值大致9～13之間,且最小值也在6.50左右,且各站之間的差別不大,由于MEO衛(wèi)星的低傾角原因,致使高緯度地區(qū)的Markov定位精度較低,平均定位精度只有14左右。MEO星座加入IGSO/GEO衛(wèi)星后各站的定位精度變化并不一致,位于西亞太的Shijiazhuang、Singapore、Melbourne的3站點的定位精度平均值和最大值都有較大幅度的降低,也就是說站點的定位精準度有所提高。平均定位精度值由10左右提高為6.5左右,減幅為35%左右;最大值由13左右提高8.5左右,減幅為35%左右;最小值6.5左右提高為5.0左右,減幅為23%左右。值得注意的是Markov站的平均定位精度值由13.82提高為6.41,減幅為53%;其最大值由18.4提高為7.8,減幅為57.8%。反觀緯度與Shijiazhuang站點相近的San Francisco站點的定位精度基本沒有變化。這說明了IGSO/GEO衛(wèi)星對改善MEO星座在西太平洋地區(qū)的定位精度有一定的作用,特別是對在接近北冰洋的高緯度有較強的改善效果。

圖4　站點的定位精度 (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站; (d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

圖5　站點的定位精度 (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站; (d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

2.2全球情況

2.2.1衛(wèi)星可見數(shù)

通過圖6可以看出MEO導航衛(wèi)星星座全球范圍內(nèi)衛(wèi)星可見數(shù)目(MEO星座全球范圍圖由于篇幅原因未給出,下同)在5顆～9顆之間,且分布均勻。加入IGSO/GEO后全球范圍內(nèi)衛(wèi)星可見數(shù)目在5顆～20顆之間,且明顯看出在中國大陸、東南亞、澳大利亞、俄羅斯高緯度等地區(qū)衛(wèi)星可見數(shù)較多,達到15顆以上;其中中國大陸周邊區(qū)域的衛(wèi)星可見數(shù)可以達到18顆以上,圖6示出了全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星可見數(shù),大幅度提高了上述這些地區(qū)北斗用戶的選擇范圍。

2.2.2PDOP值

通過圖7觀察北斗系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)MEO星座所提供的PDOP值和加入IGSO/GEO導航衛(wèi)星后的圖像,MEO導航衛(wèi)星星座全球范圍內(nèi)PDOP值在1.40～1.70之間,且分布均勻。GEO/IGSO/MEO導航星座全球范圍內(nèi)PDOP值在1.0～1.7之間,且明顯看出在中國大陸、東南亞、澳大利亞、俄羅斯高緯度等地區(qū)PDOP相較其他地區(qū)和北斗MEO導航衛(wèi)星星座所能提供的數(shù)值更加理想。說明IGSO/GEO衛(wèi)星的存在對上述地區(qū)的衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)有較大的改善。

圖6　全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星可見數(shù)

圖7　全球范圍內(nèi)的PDOP值

2.2.3定位精度

通過圖8中北斗MEO衛(wèi)星星座所提供的定位精度和GEO/IGSO/MEO導航星座所提供的定位精度之間對比,MEO導航衛(wèi)星星座全球范圍內(nèi)定位精度在13～15 m之間,且分布均勻,不存在對中國大陸周邊的增強。GEO/IGSO/MEO衛(wèi)星星座全球范圍內(nèi)定位精度在9～15 m之間,且明顯看出在中國大陸、東南亞、澳大利亞、俄羅斯高緯度等地區(qū)定位精度相較其他地區(qū)和北斗MEO導航衛(wèi)星星座所能提供的定位精度更加優(yōu)越。這種分布情況與衛(wèi)星可見數(shù)目和PDOP值得分布特點基本一致。

圖8　全球范圍內(nèi)定位精度

3　結(jié)束語

通過單站和全球范圍對比分析IGSO/GEO衛(wèi)星對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星可見數(shù)、PDOP值和定位精度等性能指標在中國大陸、東南亞、澳大利亞、俄羅斯高緯度等區(qū)域有較大范圍提高。也就是說在這些地區(qū)有IGSO/GEO衛(wèi)星的加入使北斗系統(tǒng)的導航性能更加優(yōu)越。

[1] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展、貢獻與挑戰(zhàn)[J].測繪學報,2010,39(1):1-5.

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[10]KAPLAN E D, HEGARTY C T. GPS 原理與應用[M].寇艷紅譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

The Navigation Performance Analysis of IGSO/GEO Satellite for Beidou

XIAO Lejie,SUN Fuping,LI Yaping,PENG Wensheng,CAI Renming

(SchoolofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001，China)

BeiDou satellite navigation system is one of the world's four major systems which only use IGSO/GEO/MEO heterogeneous constellation. Index of number of visible satellites, PDOP and positioning accuracy about IGSO/GEO/MEO constellations and MEO constellations are analyzed with STK software in order to know the IGSO/GEO satellite impact on the BEIDOU constellation navigation performance at a single station and global situation. Beidou navigation performance enhancement area is given from the IGSO/GEO satellite. This is a certain theoretical support for the application of IGSO/GEO satellite in the navigation system.

IGSO/GEO satellite; navigation performance; number of visible satellites; PDOP; positioning accuracy

2015-12-10

國家自然科學基金(批準號:41374027)

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0016-05

肖樂杰(1991-),男,河南濮陽人,研究生,主要研究組合導航方向。

孫付平(1965-),男,河南人,博士生導師,主要研究方向組合導航、時空基準。

李亞萍(1989-),女,河南商丘人,研究生,主要研究時空基準。

彭文生(1985-),男,江西樂安人,研究生,主要研究組合導航方向。

蔡韌鳴(1993-),男,湖南株洲人,研究生,主要研究GNSS數(shù)據(jù)處理。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.004

聯(lián)系人： 肖樂杰 E-mail: xiaolejie6@163.com