基于STK軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻譜監(jiān)測選址分析

張琪，林輝

（國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，廣東 深圳 518120）

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?yàn)槿蛴脩籼峁┤旌?、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，是我國重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。

目前，我國北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已能夠在亞太區(qū)域范圍內(nèi)為用戶提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，按照計(jì)劃，到2020年系統(tǒng)星座將包含 27顆中圓地球軌道（medium earth orbit，MEO）衛(wèi)星（軌道高度21 528 km，軌道傾角55°）、5顆地球靜止軌道（geosynchronous orbit，GEO）衛(wèi)星（軌道高度35 786 km）和3顆傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO）衛(wèi)星（軌道高度35 786 km，軌道傾角55°）[1]，能夠在全球范圍內(nèi)提供服務(wù)，屆時(shí)將與 GPS（global positioning system，全球定位系統(tǒng)）、GLONASS、Galileo共同形成全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見，隨著未來北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功能日益強(qiáng)大、用戶數(shù)量日益增加，系統(tǒng)間包括來自地面無線電系統(tǒng)可能造成的頻率干擾可能性也大幅提高。因此，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星進(jìn)行有效的保護(hù)性頻譜監(jiān)測顯得尤為重要。

國家無線電監(jiān)測中心作為我國無線電管理技術(shù)機(jī)構(gòu)，承擔(dān)無線電監(jiān)測和無線電頻譜管理工作，目前在全國設(shè)有9個(gè)國家級(jí)監(jiān)測站[2]（北京、成都、哈爾濱、昆明、上海、深圳、烏魯木齊、武夷山和西安）。本文對(duì)目前主流的幾個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的地面監(jiān)測站分布情況進(jìn)行簡單介紹，利用STK軟件的軌道預(yù)測功能及R語言的數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)可獲得公開星歷的20顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在連續(xù)10天內(nèi)對(duì)于9個(gè)不同城市的監(jiān)測可行性進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果得出初步選址建議，為完善北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)施提供參考。

2 主流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面監(jiān)測站分布情況

地面監(jiān)測站作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面控制段的一個(gè)重要組成部分，一方面負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，另一方面輔助主站完成系統(tǒng)功能[3]。值得注意的是，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的地面監(jiān)測站需要通過無線電信號(hào)與地面主站進(jìn)行通信，部分地面監(jiān)測站還會(huì)向?qū)Ш叫l(wèi)星發(fā)送上行信號(hào)，從而輔助衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘估計(jì)并提供導(dǎo)航信號(hào)[4,5]。因此在選址上比本文所要研究的頻譜監(jiān)測功能需要考慮的因素更為復(fù)雜。

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自有的地面監(jiān)測站

2.1.1 GPS的地面監(jiān)測站

GPS作為目前最成熟、使用范圍最廣的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在全球范圍內(nèi)布設(shè)了 16個(gè)監(jiān)測站[6]，遍布七大洲，從而使得任何一顆衛(wèi)星在任何時(shí)刻都至少有3個(gè)地面監(jiān)測站能夠與其進(jìn)行通信。

2.1.2 GLONASS的地面監(jiān)測站

GLONASS系統(tǒng)是俄羅斯打造的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其研發(fā)早在蘇聯(lián)時(shí)期（20世紀(jì)80—90年代）就開始了，直到1995年完成衛(wèi)星發(fā)射形成既定星座，2007年開始為俄羅斯境內(nèi)提供導(dǎo)航定位服務(wù)[6]。目前，GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)能夠在全球范圍內(nèi)提供導(dǎo)航定位服務(wù)，其手機(jī)用戶量僅次于GPS。

GLONASS目前有4個(gè)地面監(jiān)測站，還有6個(gè)即將啟用，分布在俄羅斯境內(nèi)。

2.1.3 Galileo的地面監(jiān)測站

Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是歐洲宇航局和歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航局研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，于2016年12月15日開始提供早期的定位導(dǎo)航服務(wù)（early operational capability）[6]。

Galileo系統(tǒng)目前沒有單獨(dú)的地面監(jiān)測站，其功能由 1個(gè)位于德國的地面控制中心和 4個(gè)分別位于瑞典（2個(gè)）、法國和南美的測控站共同完成[7,8]。

2.2 IGS的地面監(jiān)測站

IGS（International GNSS Service）是一個(gè)能夠?yàn)閷?dǎo)航定位系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測服務(wù)、測量衛(wèi)星軌道和時(shí)間地理信息，從而輔助定位系統(tǒng)正常工作的全球性質(zhì)公益組織[9]。目前，IGS包括分布在全球范圍內(nèi)的500多個(gè)地面監(jiān)測站及若干個(gè)數(shù)據(jù)中心。由于具有數(shù)量龐大、遍布全球的地面監(jiān)測站，IGS能夠補(bǔ)充全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)地面段的不足，對(duì)所有導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并在任何時(shí)間提供任意地點(diǎn)準(zhǔn)確的時(shí)間地理信息數(shù)據(jù)，從而輔助衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)更好地工作。

其中，全部地面監(jiān)測站都能夠?qū)PS進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，362個(gè)地面監(jiān)測站能夠?qū)LONASS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，219個(gè)能對(duì) Galileo系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，169個(gè)能對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3 北斗衛(wèi)星的監(jiān)測可行性分析

按照北斗官方網(wǎng)站公布的衛(wèi)星發(fā)射記錄，截至2016年年底，我國共發(fā)射北斗衛(wèi)星23顆，包括GEO衛(wèi)星7顆、IGSO衛(wèi)星8顆、MEO衛(wèi)星8顆。其中，1顆GEO衛(wèi)星BeiDou G2和2顆MEO衛(wèi)星 BDS-M1、BDS-M5目前已停止服務(wù)，因此該系統(tǒng)現(xiàn)共有6顆GEO衛(wèi)星（分別為BeiDou G1、BeiDou G3、BeiDou G4、BeiDou G5、BeiDou G6、BeiDou G7）、8顆IGSO衛(wèi)星（分別為BeiDou IGSO 1、BeiDou IGSO 2、BeiDou IGSO 3、BeiDou IGSO 4、BeiDou IGSO 5、BeiDou IGSO 6、BeiDou I1-S、BeiDou I2-S）、6顆MEO衛(wèi)星（分別為BeiDou M3、BeiDou M4、BeiDou M6、BeiDou-3_M1、BeiDou-3_M2、BeiDou M3-S）。

3.1 不同軌道衛(wèi)星的監(jiān)測可行性分析

3.1.1 GEO衛(wèi)星監(jiān)測可行性分析

根據(jù)星歷信息，利用Orbitron軟件對(duì)6顆GEO衛(wèi)星軌道位置進(jìn)行計(jì)算，得到G1、G3、G4、G5、G6、G7 分別位于 140°E、110.4°E、160°E、58.7°E、84°E、144°E。6顆衛(wèi)星均位于上述9個(gè)候選城市站點(diǎn)可視弧范圍內(nèi)，由于 GEO衛(wèi)星相對(duì)地球靜止，全天可見，在選址分析時(shí)可不做考慮。

3.1.2 IGSO與MEO衛(wèi)星監(jiān)測可行性分析

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的IGSO和MEO衛(wèi)星軌道高度分別為35 786 km、21 528 km。根據(jù)開普勒定理，圓形軌道衛(wèi)星高度h與運(yùn)行周期Ts具有以下關(guān)系[10]：

其中，R為地球半徑，k為開普勒常數(shù)。

參考式（1），計(jì)算得到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)IGSO、MEO衛(wèi)星運(yùn)行周期分別近似為23.94h和12.90h，與STK軌道預(yù)測數(shù)據(jù)近似。

本文利用STK軟件的軌道預(yù)測功能[11,12]，對(duì)2017年5月24日—6月2日連續(xù)10天IGSO和MEO衛(wèi)星的可監(jiān)測時(shí)段進(jìn)行了預(yù)測計(jì)算。以2017年5月24日為例，北京的可監(jiān)測時(shí)段和全天累計(jì)可監(jiān)測時(shí)間如圖1、圖2所示。

利用R語言對(duì)9個(gè)候選城市10天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)分析，IGSO和MEO全天可視時(shí)間平均值分別為20.54 h和8.57 h，最大值分別為24 h和12.93 h，最小值分別為16.75 h和5.00 h，監(jiān)測可視時(shí)間箱線圖如圖3（a）所示（箱線圖是對(duì)數(shù)據(jù)分布情況的一種描述方式，圖3中每個(gè)箱體對(duì)應(yīng)5個(gè)值：箱體上方的直線對(duì)應(yīng)最大值、箱體上、下邊分別對(duì)應(yīng)3/4位數(shù)和1/4位數(shù)、箱體中間的直線對(duì)應(yīng)中位數(shù)、箱體下方的直線對(duì)應(yīng)最小值，故箱線圖能夠很好地反映數(shù)據(jù)的總體分布情況）。

以北京時(shí)間8：00—18：00為工作時(shí)間為例，考慮兩類衛(wèi)星在常規(guī)工作時(shí)段內(nèi)可監(jiān)測時(shí)間的差異，9個(gè)候選城市在10天內(nèi)，IGSO和MEO在常規(guī)工作時(shí)間內(nèi)監(jiān)測可視時(shí)間平均值分別為9.80 h和3.36 h，最大值分別為10 h和9.11 h，最小值均為0 h（其中8顆IGSO衛(wèi)星在10天、9個(gè)城市共720個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)，僅有兩個(gè)0值，故系統(tǒng)認(rèn)為是離群點(diǎn)，在圖3（b）中以空心點(diǎn)表示）。

圖1 北京非靜止軌道衛(wèi)星監(jiān)測可視時(shí)間段

圖2 北京非靜止軌道衛(wèi)星監(jiān)測可視時(shí)間

圖3 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)IGSO和MEO監(jiān)測可視時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由此可見，MEO衛(wèi)星監(jiān)測可視時(shí)間較IGSO衛(wèi)星無論是全天還是常規(guī)工作時(shí)間內(nèi)都有較大的差距，因此在監(jiān)測站點(diǎn)選址上要重點(diǎn)考慮MEO衛(wèi)星可視時(shí)間長短并根據(jù)不同地點(diǎn)的差異（見下文分析）進(jìn)行合理布局。

3.2 不同衛(wèi)星的監(jiān)測可行性分析

利用R語言對(duì)9個(gè)候選城市10天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)分析，全天及常規(guī)工作時(shí)間14顆非靜止軌道衛(wèi)星的監(jiān)測可視時(shí)間箱線圖分別如圖4、圖5所示。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，不同類型衛(wèi)星的監(jiān)測可視時(shí)間有明顯差別，IGSO可視時(shí)間遠(yuǎn)大于MEO，但同類型不同衛(wèi)星之間差距不大。其中，I1-S、I2-S、IGSO_2、IGSO_5全部工作時(shí)間內(nèi)可見，在選址分析時(shí)可不做考慮；M3-S和M6在常規(guī)工作時(shí)間內(nèi)可視時(shí)間較短，需重點(diǎn)關(guān)注。

圖4 14顆非靜止軌道衛(wèi)星全天監(jiān)測可視時(shí)間箱線圖

圖5 14顆非靜止軌道衛(wèi)星工作時(shí)間監(jiān)測可視時(shí)間箱線圖

4 9個(gè)候選城市監(jiān)測可行性分析

4.1 監(jiān)測可視時(shí)間分析

4.1.1 總體分析

利用R語言對(duì)不同城市10天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)分析，全天及常規(guī)工作時(shí)間9個(gè)城市的監(jiān)測可視時(shí)間箱線圖分別如圖6、圖7所示。

圖6、圖7中，縱軸的取值范圍（也即箱線圖縱向取值范圍）顯示的是在給定城市條件下14顆非靜止軌道衛(wèi)星在10天內(nèi)的監(jiān)測可視時(shí)間的變化（即這140個(gè)監(jiān)測可視時(shí)間數(shù)據(jù)的變化范圍），可以看出無論是全天還是工作時(shí)間內(nèi)，可視時(shí)間變化很大。對(duì)中位數(shù)進(jìn)行比較，可視時(shí)間較長的是昆明、深圳和武夷山，較短的是哈爾濱和烏魯木齊。另外，北京和西安雖然全天可視時(shí)間較長，但在常規(guī)工作時(shí)間內(nèi)可視時(shí)間較短?？梢园l(fā)現(xiàn)，可視時(shí)間的長短與監(jiān)測站點(diǎn)的緯度有較大關(guān)系，緯度越低可視時(shí)間越長。

圖6 9個(gè)候選城市全天監(jiān)測可視時(shí)間箱線圖

圖7 9個(gè)候選城市工作時(shí)間監(jiān)測可視時(shí)間箱線圖

4.1.2 不同城市對(duì)不同類型衛(wèi)星監(jiān)測可行性分析

利用R語言對(duì)城市及衛(wèi)星類型做分組統(tǒng)計(jì)，全天及工作時(shí)間內(nèi)城市與衛(wèi)星類型統(tǒng)計(jì)箱線圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 全天時(shí)間內(nèi)不同城市與衛(wèi)星類型分組可視時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖9 工作時(shí)間內(nèi)不同城市與衛(wèi)星類型分組可視時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，IGSO衛(wèi)星的監(jiān)測可視時(shí)間與監(jiān)測地點(diǎn)有較大關(guān)系，深圳、昆明、武夷山這3個(gè)緯度較低的站點(diǎn)可視時(shí)間最長。而MEO衛(wèi)星監(jiān)測可視時(shí)間中位數(shù)隨站點(diǎn)變化不大，但隨日期和衛(wèi)星變化較大。

4.2 不同候選城市相似度分析

將衛(wèi)星的可視時(shí)間數(shù)據(jù)（單日內(nèi)最多有3段可視時(shí)間，因此可處理為3對(duì)起始時(shí)間）視作一個(gè)數(shù)組，利用R語言對(duì)10天內(nèi)不同城市的可視時(shí)間數(shù)據(jù)做相關(guān)分析，相關(guān)組圖如圖 10所示。

圖10中斜向上條紋表示正相關(guān)（由于至少一半衛(wèi)星在全天僅有1個(gè)可視時(shí)段，其余數(shù)據(jù)默認(rèn)為0處理，因此各城市間相關(guān)性全為正相關(guān)，且相關(guān)數(shù)值普遍較高），且顏色越深相關(guān)性越大。但每天的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)仍然會(huì)有變化，可以看出，北京和西安、北京和哈爾濱、西安和烏魯木齊這3對(duì)站點(diǎn)相似度很高，西安和成都、深圳和昆明相似度也較高。10天內(nèi)各城市相關(guān)性系數(shù)均值見表1，均值數(shù)據(jù)也支持了上述結(jié)論。

5 結(jié)束語

本文利用 STK軟件的軌道預(yù)測數(shù)據(jù)及 R語言的數(shù)據(jù)分析功能，收集了目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)14顆非靜止軌道衛(wèi)星連續(xù)10日內(nèi)對(duì)于9個(gè)候選城市（北京、成都、哈爾濱、昆明、上海、深圳、烏魯木齊、武夷山和西安）的可視時(shí)間段數(shù)據(jù)，針對(duì)不同軌道衛(wèi)星、不同衛(wèi)星、不同城市、不同城市+不同衛(wèi)星類型進(jìn)行了分組統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)不同候選城市進(jìn)行了相似度分析。

表1 不同候選城市相關(guān)性系數(shù)10日均值

分析結(jié)果表示，6顆GSO衛(wèi)星均位于9個(gè)候選城市可視弧范圍內(nèi)，選址時(shí)可不做特殊考慮；對(duì)于8顆IGSO衛(wèi)星，9個(gè)候選城市在全天和工作時(shí)間內(nèi)可視時(shí)間平均值分別可達(dá)到20.54 h和9.80 h，其中，深圳、昆明、武夷山這3個(gè)城市在常規(guī)工作時(shí)段內(nèi)可視時(shí)間中位數(shù)可達(dá)到10 h，即幾乎全部工作時(shí)間都可觀測到；對(duì)于6顆MEO衛(wèi)星，9個(gè)城市在全天和工作時(shí)間內(nèi)可視時(shí)間平均值分別為8.57 h和3.36 h，并且隨時(shí)間和衛(wèi)星不同有較大變化，但整體來看，9個(gè)城市間差異不明顯，需要不同地點(diǎn)配合進(jìn)行監(jiān)測。此外，城市間相似度分析表示，北京和西安、北京和哈爾濱、西安和烏魯木齊這3對(duì)相似度很高，西安和成都、深圳和昆明相似度也較高。

綜合上述分析結(jié)論，選址建議為深圳、武夷山、北京、上海、烏魯木齊。

圖10 9個(gè)候選城市相關(guān)組圖（2017年5月24日-6月2日）

參考文獻(xiàn)：

[1]中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開服務(wù)信號(hào)(2.1版)[S].2016.China Satellite Navigation System Management Office.BeiDou satellite navigation system space signal interface control file open service signal (version 2.1)[S].2016.

[2]周鴻順, 劉武兵, 王愛舉, 等.國家空間衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)[J].電信科學(xué), 2015, 31(12)： 8-9.ZHOU H S, LIU W B, WANG A J, et al.National space satellite monitoring system[J].Telecommunications Science, 2015,31(12)： 8-9.

[3]李作虎, 郝金明, 李建文, 等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站覆蓋性能分析及布設(shè)方法初步研究[EB].2010.LI Z H, HAO J M, LI J W, et al.Satellite navigation system monitoring station coverage performance analysis and layout method[EB].2010.

[4]陳茜, 馬煦, 李春霞.一種 GNSS監(jiān)測站選址模糊綜合評(píng)價(jià)方法[J].電訊技術(shù), 2015(3)： 305-307.CHEN Q, MA X, LI C X.A fuzzy synthetic evaluation method for address choosing of GNSS monitoring station[J].Telecommunication Engineering, 2015(3)： 305-307.

[5]宮磊, 馬煦, 馮曉超, 等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站選址因素分析[J].數(shù)字通信世界, 2014(12)： 10-13.GONG L, MA X, FENG X C, et al.Specification for the address-choosing and construction of GNSS monitoring station[J].Digital Communication World, 2014(12)： 10-13.

[6]International Committee on Global Navigation Satellite Systems.Current and planned global and regional navigation satellite systems and satellite-based augmentations systems[R].2010.

[7]Commission Implementing Decision.Official Journal of the European Union[R].2012.

[8]European Space Agency.Galileo： the future becomes reality[R].2017.

[9]International GNSS Service.Terms of reference[R].2017.

[10]付鋒.局域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座設(shè)計(jì)[D].南京： 南京航空航天大學(xué), 2001．FU F.Constellation design of local satellite navigation sys tem[D].Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2001.

[11]代明鑫, 張文明, 王雪松.基于STK的SAR衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代防御技術(shù), 2008(1)： 5-9.DAI M X, ZHANG W M, WANG X S.Design and simulation of SAR satellite orbit prediction based on STK[J].Modern Defence Technology, 2008(1)： 5-9.

[12]杜玉萍, 陸君.STK在航天器軌道預(yù)報(bào)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].光電技術(shù)應(yīng)用, 2015, 30(4)： 62-65.DU Y P, LU J.Application of STK in simulation system of spacecraft orbit prediction[J].Electro-Optic Technology Application, 2015, 30(4)： 62-65.