極地GNSS性能仿真分析研究

左宗,陳明劍

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001;2.北斗導航應用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001)

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極地GNSS性能仿真分析研究

左宗1，2,陳明劍1,2

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001;2.北斗導航應用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001)

極地地區(qū)豐富的自然資源以及重要的戰(zhàn)略地位,引起了各國廣泛關(guān)注。衛(wèi)星導航具有精度高、受天氣影響小、全天候?qū)Ш降葍?yōu)點,能為極地實時導航提供可靠數(shù)據(jù)。本文利用STK軟件仿真了GNSS(BDS/GPS/GLONASS)的衛(wèi)星星座,基于南極科考站數(shù)據(jù)分析了GNSS衛(wèi)星覆蓋性、可見性、高度角變化規(guī)律以及多系統(tǒng)導航性能,通過在北極高緯度航道建立虛擬觀測站計算了GNSS在北極航道的DOP分布情況,并重點研究了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)未來在極地地區(qū)的導航性能。結(jié)果表明,目前GPS和GLONASS基本能滿足極地的導航需求,GLONASS相對更穩(wěn)定,BDS的全球化將為極地科考提供新的契機。隨著多系統(tǒng)導航的應用,衛(wèi)星導航在極地的定位精度和可靠性將顯著提高,也擴大了截止高度角的選擇范圍。

STK;GNSS;DOP;極地導航;可見性和覆蓋性

0 引 言

人們對南極地區(qū)和北極地區(qū)衛(wèi)星導航的運用研究相對獨立。在北極,利用極區(qū)海冰加速融化契機實現(xiàn)船舶安全通航[1]等成為研究重點。在南極,完成考察地區(qū)衛(wèi)星大地控制網(wǎng)布設(shè)、實現(xiàn)極區(qū)冰雪環(huán)境動態(tài)變化過程監(jiān)測[2]以及建立極區(qū)電離層模型[3]等的研究已取得巨大進展。雖然我國歷次南極內(nèi)陸考察期間均在GPS導航下完成科學考察,但系統(tǒng)的導航定位技術(shù)并不能完全滿足南極導航期間的所有科考任務(wù)需求。比如準確找到科考路線上的科研設(shè)備、惡劣天氣中準確預報位置信息等[4]。GPS、GLONASS以及BDS的組合將顯著增加可見的衛(wèi)星數(shù)量,使得衛(wèi)星定位精度因子(GDOP)值變小,從而提高導航定位精度。

文獻[5]利用STK軟件仿真了北斗區(qū)域星座,計算了北斗區(qū)域星座在全球范圍內(nèi)的GDOP分布。文獻[6]基于STK軟件對BDS、GPS和GLONASS系統(tǒng)進行不同程度的組合仿真,對中國區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星可見數(shù)、PDOP值以及定位精度進行了分析。為了更直觀評估全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在極地的覆蓋情況及導航性能,本文運用STK軟件模擬了現(xiàn)有衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS/GPS/GLONASS)的衛(wèi)星星座,在南極科考站和北極高緯度航道上建立了虛擬觀測站,運用STK/Chain模塊和STK/Coverage模塊得到GNSS衛(wèi)星在極地的覆蓋性、可見性以及高度角變化規(guī)律,從而分析GNSS導航定位性能。文章重點仿真了北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)在極地的導航性能,為將來北斗在極地的應用提供參考依據(jù)。

1 原理

STK軟件全稱Satellite Tool Kit(衛(wèi)星仿真工具包),是由美國AGI公司研發(fā),用于衛(wèi)星系統(tǒng)分析的軟件[7]。STK具有強大的演示和驗證功能,可以方便快速地分析復雜環(huán)境條件下的陸?？仗烊蝿?wù),可以提供精確的圖表、報告以及逼真的可視化動態(tài)場景等多種分析結(jié)果。STK使用面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu),包含不同級別的類或?qū)ο?最高級別的對象是STK,最高級別的子對象是場景(Scenario)。本文在場景內(nèi)建立了衛(wèi)星導航系統(tǒng)和虛擬觀測站,通過研究衛(wèi)星導航系統(tǒng)在極地的精度衰減因子分布和衛(wèi)星傳感器的覆蓋區(qū)域,得到相應結(jié)論。

1.1 衛(wèi)星覆蓋性與可見性

衛(wèi)星覆蓋性是指在特定時刻或者時間段內(nèi)可同時觀測同一衛(wèi)星的監(jiān)測站數(shù)目。

為了評估衛(wèi)星被所有監(jiān)測站覆蓋的程度,這里定義一個衡量標準c[8],具體公式為

(1)

式中: N為格網(wǎng)點的數(shù)目; Ki為在第i個格網(wǎng)中可看到的監(jiān)測站數(shù)。

地球表面對衛(wèi)星的可見性與衛(wèi)星對地球表面的覆蓋性情況密切相關(guān)。衛(wèi)星在某一時刻對地面的覆蓋情況如圖1所示。圖中r為地球半徑,r=|OM1|=|OM2|,h為衛(wèi)星軌道高度,h=|SS′|,α為衛(wèi)星的覆蓋角,α=∠SOM1,則有:

(2)

接收仰角不同時,大氣傳播影響的程度也不同。假設(shè)仰角為β,則此時衛(wèi)星的覆蓋角為

(3)

綜上,如果地面上一點A位于衛(wèi)星S的覆蓋范圍之內(nèi),則說明S對A點可見。在實際衛(wèi)星導航系統(tǒng)中,衛(wèi)星S對A點可見是指A點能夠接收到衛(wèi)星S的信號所滿足最小仰角的情況。

圖1 單個衛(wèi)星對地面覆蓋示意圖

1.2 北斗全球系統(tǒng)仿真

我國計劃于2020年建成覆蓋全球的衛(wèi)星導航系統(tǒng),當前的BDS僅能為國內(nèi)及周邊地區(qū)提供導航定位服務(wù)。然而,極地因為其豐富的自然資源和重要的軍事戰(zhàn)略地位,早已成為全球關(guān)注的焦點。因此,我國亟需在極地建立一套自主可控、實用性強的導航系統(tǒng),以便深入認識極地并更積極地參與極地事務(wù),從而維護在極地的利益。在研究現(xiàn)有導航系統(tǒng)在極地性能的同時,本文重點研究了北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)在極地的覆蓋性和精度指標。

采用STK仿真全球覆蓋的北斗衛(wèi)星星座,包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。截止目前,北斗全球性星座普遍被設(shè)計為27顆MEO衛(wèi)星+5顆GEO衛(wèi)星+3顆IGSO衛(wèi)星的混合星座。2016年3月30日,我國發(fā)射了第8顆IGSO衛(wèi)星,表明IGSO衛(wèi)星在全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中不可忽視的作用。根據(jù)《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)》[9],MEO衛(wèi)星軌道相位從Walker24/3/1星座中選擇。由于我國北斗導航系統(tǒng)的全球化仍受限于難于境外布站,故本文提出采用24顆MEO衛(wèi)星+5顆GEO+6顆IGSO衛(wèi)星的衛(wèi)星星座設(shè)計方案,這將有助于提高我國在高利用率和高關(guān)注度地區(qū)的導航性能?；谝陨嫌^點,本文探討了以上兩種不同的北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在極地地區(qū)的導航性能。

方案一(24MEO+5GEO+6IGSO):

MEO衛(wèi)星軌道傾角為55°,相位從Walker24/3/1星座中選擇,24顆衛(wèi)星均勻分布在間隔120°的3條軌道上;5顆GEO衛(wèi)星的軌道高度為 35 786 km,分別定點于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°;6顆IGSO衛(wèi)星的軌道傾角為55°,分布在三個軌道面內(nèi),升交點赤經(jīng)分別相差120°,星下點軌跡重合,交叉點經(jīng)度為東經(jīng)118°,其余3顆衛(wèi)星星下點軌跡重合,交叉點經(jīng)度為東經(jīng)95°.考慮到在已建成的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)基礎(chǔ)上增補衛(wèi)星建成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),仿真系統(tǒng)中的IGSO和GEO采用實測數(shù)據(jù)構(gòu)建。

方案二(27MEO+5GEO+3IGSO):

MEO衛(wèi)星軌道傾角為55°,相位從Walker24/3/1星座中選擇,27顆衛(wèi)星均勻分布在間隔120°的3條軌道上;5顆GEO衛(wèi)星分布同方案一;3顆IGSO衛(wèi)星的軌道傾角為55°,分布在三個軌道面內(nèi),升交點赤經(jīng)分別相差120°,星下點軌跡重合,交叉點經(jīng)度為東經(jīng)118°.

2 基于南極科考站的仿真分析

利用STK軟件模擬現(xiàn)有的GNSS(BDS/GPS/GLONASS),仿真北斗未來將建成的全球星座。用STK軟件導入目前常用的2行衛(wèi)星星歷(Two-Line Element)格式數(shù)據(jù),本文實驗主要基于Celestrak網(wǎng)站最新發(fā)布的衛(wèi)星導航.tle格式實測數(shù)據(jù)。

2.1 衛(wèi)星導航系統(tǒng)仿真

1) 現(xiàn)有導航系統(tǒng)仿真

通過STK軟件導入實測數(shù)據(jù),在場景內(nèi)可觀測到GNSS的空間分布和星下點軌跡。在此基礎(chǔ)上,運用STK/Chain模塊和STK/Coverage模塊分析衛(wèi)星導航系統(tǒng)在極地的可見性和高度角變化規(guī)律。通過設(shè)定評估覆蓋資源的覆蓋品質(zhì)參數(shù),仿真得到觀測周期GNSS在全球的GDOP分布情況。以BDS為例,得到在南極科考站的數(shù)據(jù),如圖2～圖4所示。

圖2 長城站BDS衛(wèi)星可見數(shù)和GDOP情況

圖3 昆侖站BDS衛(wèi)星可見數(shù)和GDOP情況

圖4 中山站BDS衛(wèi)星可見數(shù)和GDOP情況

從圖2～圖4可看出,BDS在南極科考站的GDOP值隨時間變化的幅度很大。長城站的可見衛(wèi)星數(shù)大部分時段小于等于4,約占整個觀測時段的76.4%;昆侖站衛(wèi)星可見數(shù)均大于等于4;中山站的可見衛(wèi)星數(shù)始終大于等于5,觀測時段15:00-18:00內(nèi)的可見數(shù)最多,基本穩(wěn)定為9.綜上所述,BDS在長城站不符合可用性要求,在昆侖站、中山站上基本符合可用性要求。

2) 北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)仿真

基于現(xiàn)有的北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)仿真建設(shè)全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),結(jié)合實測數(shù)據(jù)與Walker星座特點仿真得到方案一星座(24MEO+5GEO+6IGSO)和方案二星座(27MEO+5GEO+3IGSO)。仿真得到觀測周期北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在全球的GDOP分布情況,南極上空觀測結(jié)果如圖5所示。

從圖5看出,北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在南極的覆蓋性能已經(jīng)達到了較高的水平,科考站附近的GDOP值基本分布在1～2之間。由于極區(qū)地理位置特殊,衛(wèi)星截止高度角的選擇、電離層閃爍和對流層延遲等將顯著影響數(shù)據(jù)解算精度。因此,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的全球化將為極地電離層和對流層等的研究提供契機。

2.2 GNSS可見性隨高度角變化規(guī)律

運用STK軟件導入實測數(shù)據(jù),模擬不同截止高度角條件下,現(xiàn)有衛(wèi)星導航系統(tǒng)在極地的導航性能。將衛(wèi)星截止高度角分別設(shè)置成5°、10°和15°,以中山站為例分析衛(wèi)星可見性與覆蓋情況。衛(wèi)星截止高度角為15°時,中山站上衛(wèi)星可見性和系統(tǒng)精度衰減數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表如下。(以BDS為例)

研究處理現(xiàn)有導航系統(tǒng)在中山站的衛(wèi)星可見性、覆蓋性和精度衰減數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)得到表1所示的結(jié)果;統(tǒng)計分析北斗全球仿真系統(tǒng)在中山站的衛(wèi)星可見性和覆蓋性得到表2所示的結(jié)果。

圖5 北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)在南半球的GDOP分布情況

GNSS截止高度角最小可見衛(wèi)星數(shù)最小GDOP最大GDOP平均GDOP5°518617705069BDS10°322476840718915°12781258001394305°8124625231826GLONASS10°71562876209615°6174653127345°8132933651897GPS10°615317875235415°51721139823030備注：BDS數(shù)據(jù)結(jié)果中剔除了因觀測條件不足GDOP值缺失的情況。

表2 中山站北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)可見性及GDOP分布情況

圖6和表1表明,北斗衛(wèi)星可見數(shù)隨著截止高度角的增大明顯減少,GDOP值出現(xiàn)大幅度增大。截止高度角為15°時,北斗衛(wèi)星可見數(shù)最小,單顆MEO衛(wèi)星的可見時段約占整個觀測時段的27.9%,單顆IGSO衛(wèi)星的可見時段約占47.09%,GEO衛(wèi)星始終不可見;GPS的GDOP值隨截止高度角增大而緩慢增大,截止高度角為15°時,部分時段GDOP值大于6;GLONASS的GDOP值隨截止高度角變化的幅度最小,截止高度角為15°時,可見衛(wèi)星數(shù)仍然大于等于6,相對穩(wěn)定。

圖6 中山站BDS衛(wèi)星可見性(截止高度角15°)

從表1與表2可以得出,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的全球化將顯著提高我國導航系統(tǒng)在極地地區(qū)的導航定位精度,提供更多有效的解算數(shù)據(jù)。隨著截止高度角增大,衛(wèi)星可見數(shù)減少,但大部分時段的GDOP值仍然小于經(jīng)驗值。方案一和方案二在極地地區(qū)的導航性能總體上相當,但方案二的最小可見衛(wèi)星數(shù)和GDOP值數(shù)據(jù)更優(yōu),說明合適的IGSO和MEO衛(wèi)星個數(shù)才能有效改善導航系統(tǒng)的空間構(gòu)型。相比于GPS和GLONASS,北斗全球系統(tǒng)在中山站的GDOP值較小,其星座構(gòu)型在極地的應用更具優(yōu)勢。截止高度角增大時,GDOP值小于1,說明提高衛(wèi)星截止高度角可以過濾部分數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳的衛(wèi)星數(shù)據(jù),在一定程度上提高極地觀測數(shù)據(jù)的解算精度。

2.3 組合導航衛(wèi)星系統(tǒng)仿真

多系統(tǒng)導航成為衛(wèi)星導航領(lǐng)域新的發(fā)展方向,

當前的多星座組合導航定位已經(jīng)解決多系統(tǒng)融合算法、時空基準轉(zhuǎn)換、快速選星等技術(shù)難題,并成功運用于生產(chǎn)實際。目前,國際上具有代表性的多系統(tǒng)兼容接收機廠家主要有NovAtel公司、JAVAD公司等[10]?；谝陨媳尘?本文仿真了組合系統(tǒng)在中山站的可見性,比較分析了多系統(tǒng)的導航性能。

通過圖7、圖8和表3結(jié)果可知,相比單星座系統(tǒng),組合導航系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)成倍增長,觀測站點的GDOP值變化較為穩(wěn)定。GPS/BDS相比GPS減小30%;GPS與北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)的組合得到的GDOP值相比GPS減小約41%,相比北斗全球系統(tǒng)減小約25%.由此可知,可見衛(wèi)星數(shù)越多,導航系統(tǒng)幾何構(gòu)型得到改善,衛(wèi)星的導航能力和定位精度得到提高,可以有效避免特定緯度、極端遮擋環(huán)境等的局限性,也為衛(wèi)星截止高度角的選擇提供了更為廣闊的空間。

圖7 GPS/方案一在中山站的GDOP情況 圖8 GPS/方案二在中山站的GDOP情況

GNSS最小可見衛(wèi)星數(shù)最小GDOP最大GDOP平均GDOPBDS5156797194029GPS10111126041576GLONASS9115720991590方案一12105215181271方案二13105517051231GPS/BDS15091415151120GPS/方案一23081011030924GPS/方案二24081411660916

3 基于北極高緯度航道的仿真分析

為研究GNSS在北極航道的導航性能,通過在北極航道上建立相應虛擬觀測站實現(xiàn)。北極航道由西伯利亞沿岸的“東北航道”和加拿大沿岸的“西北航道”構(gòu)成。東北航道大部分航段位于俄羅斯北部沿海的北冰洋離岸海域。西北航道大部分航段位于加拿大北極群島水域,從白令海峽出發(fā),向東沿美國阿拉斯加北部離岸海域,穿過加拿大北極群島,到達戴維斯海峽,通過谷歌地球獲得北極航道所經(jīng)海峽特征點的概略坐標。以“歐洲北部”為例,選定虛擬觀測站概率位置為:北緯71°30′59″,東經(jīng)25°29′54″.

運用STK軟件得到觀測時間段內(nèi)虛擬觀測站的GDOP值,計算分析現(xiàn)有導航系統(tǒng)和北斗全球系統(tǒng)在北極東北航道和西北航道上一天的GDOP最大值、最小值以及平均值,結(jié)果如表4和表5所示。

表4 GNSS在北極航道特征點的GDOP情況

表4示出了觀測時間段內(nèi)北極航道各虛擬觀測站的GDOP,BDS在東北航道大部分時段可用,GDOP值偏大。GPS在白令海峽附近的GDOP值最大,虛擬觀測站上的GDOP值均小于3,平均值分布在1.6附近,GDOP值較小且變化幅度不大,GPS的導航定位數(shù)據(jù)在北極滿足可用性要求。GLONASS在北極航道的虛擬觀測站上的GDOP值小于2.2,平均值分布在1.58附近。無論是在東北航道還是西北航道,相較于GPS和BDS,GLONASS的GDOP值更小,且隨經(jīng)緯度變化的變化幅度最小,在高緯度導航更具優(yōu)勢。

表5 北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)在北極航道特征點的GDOP情況

表5表明,在北極航道,北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)的衛(wèi)星幾何構(gòu)型良好,滿足導航需求。仿真的兩種方案在北極航道的導航性能相當。相較于GPS和GLONASS,北斗全球系統(tǒng)在東北航道的導航性能更優(yōu),表明GEO和IGSO衛(wèi)星在北斗全球系統(tǒng)中的重要意義,為進一步探索極地這一全球重要戰(zhàn)略中心提供了借鑒。

4 結(jié)束語

本文運用STK軟件仿真GNSS并給了一系列可用于分析的圖表,得到GNSS在極地的性能分析結(jié)果如下:

1) 在不同位置的南極科考站上,GNSS導航性能存在明顯差異。北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)在中山站的GDOP值比在長城站和昆侖站小,定位精度相對高。GPS的GDOP值相對BDS和GLONASS最小,GLONASS的GDOP值受截止高度角變化的影響最小。

2) 北斗系統(tǒng)的全球化在極地具備應用優(yōu)勢。北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)的GDOP值相對GPS和GLONASS小,在極地其幾何構(gòu)型更好,表明了GEO和IGSO衛(wèi)星對于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在極地研究的具有重要意義。當截止高度角增大時,北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)在中山站的GDOP值甚至小于1,表明提高衛(wèi)星截止高度角可以過濾部分數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳的衛(wèi)星數(shù)據(jù),在一定程度上提高數(shù)據(jù)解算精度。組合導航系統(tǒng)有利于改善衛(wèi)星幾何構(gòu)型,提高導航能力和定位精度。

3) 在北極高緯度航道,GPS和GLONASS的衛(wèi)星可見性和覆蓋性良好,滿足可用性要求。GLONASS在高緯度導航更具優(yōu)勢。相較于GPS和GLONASS,北斗衛(wèi)星全球系統(tǒng)在東北航道的導航性能更優(yōu),表明GEO和IGSO衛(wèi)星在北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)中的意義。

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Simulation and Analysis of GNSS Performances Using STK in the Polar

ZUO Zong1，2, CHEN Mingjian1，2

(1.SchoolofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450000,China;2.BeiDouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China)

The polar region has attracted much attention of the world for its abundant natural resources and important strategic position there. The satellite navigation system can provide reliable observation datum for the real-time because it can provide precise results all the time and hardly be affected by the weather. This thesis simulates the Global Navigation Satellite System (GNSS) satellite constellations (including BDS,GPS and GLONASS) with the STK software and discusses the navigation performance of BDS in the future. Then the visibility, the coverage of constellations, the changing patterns of elevation angle and the navigation performance of GNSS are analyzed in the Antarctic Research Stations. Focusing on the Arctic channel, virtual observation stations are established to calculate the distribution of the DOP of GNSS. A deeper analysis of the navigation performance of the integrated navigation system has been done. The results show that GPS and GLONASS can basically meet the needs of polar navigation, GLONASS has a more stable navigation result in high latitude and the globalization of BDS Will provide new opportunities for polar research. With the application of integrated navigation system, the positioning accuracy of satellite navigation in the polar will improve significantly and the range of choices of the elevation mask angle will be broaden.

Satellite Tool Kit (STK); Global Navigation Satellite System (GNSS); Dilution of Precision(DOP); satellite navigation in the polar; visibility and coverage

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.007

2016-03-10

裝備預研基金項目(編號:9140A24011314JB52001)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0035-07

左宗 (1993-),男,碩士生,主要研究方向為衛(wèi)星導航在極地的應用分析。

陳明劍 (1976-),男,副教授,研究方向為GNSS精密單點定位及地基增強系統(tǒng)建設(shè)及其應用。

聯(lián)系人： 左宗 E-mail: zongzuo1@163.com