基于STK的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仿真與分析

王欣蕊

【摘 要】利用衛(wèi)星仿真工具包STK，結(jié)合國外全球?qū)Ш较到y(tǒng)的技術(shù)經(jīng)驗和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前公布的技術(shù)資料，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座設(shè)計、衛(wèi)星可見性、定位精度等方面進行了詳細的仿真與分析。STK逼真的圖形顯示提高了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中星座仿真的可視化成效，通過分析衛(wèi)星可見性及定位精度，能夠得出北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種區(qū)域定位性能較佳的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以讓用戶體驗到更為精確的定位導(dǎo)航服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；衛(wèi)星仿真工具包；星座設(shè)計；精度因子；衛(wèi)星可見性

【中圖分類號】P228 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）03-0079-02

0 前言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou navigation satellite，BDS），是我國自主研發(fā)的一款完全獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。建成技術(shù)先進、開放兼容、自主獨立且具有極高穩(wěn)定性的全球覆蓋的導(dǎo)航系統(tǒng)，進而形成衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈，促使國家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)保障、支持及推廣體系的進一步完善，加快國民經(jīng)濟社會各行各業(yè)中衛(wèi)星導(dǎo)航的普及，這是這一系統(tǒng)的建設(shè)總目標(biāo)[1]。

現(xiàn)如今，我國BDS系統(tǒng)還處在建設(shè)星座組網(wǎng)的階段，據(jù)系統(tǒng)建設(shè)所制定的規(guī)劃，該系統(tǒng)于2012年左右就將完成對亞太地區(qū)導(dǎo)航、定位、授時等服務(wù)能力的覆蓋；到了2020年，BDS系統(tǒng)將實現(xiàn)全球覆蓋。為此，我們展開后續(xù)工作的一項重要前提就是對系統(tǒng)進行模擬仿真?；谝陨锨闆r，本文通過運用著名仿真分析平臺STK（全稱Satellite Tool Kit）來詳細地仿真與分析BDS系統(tǒng)的星座設(shè)計、衛(wèi)星可見性與定位精度等。

1 星座設(shè)計及仿真

現(xiàn)階段，Walker星座是世界上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)布局時常選用的。Walker星座是圓形軌道，是由一組在相同軌道傾角與周期運行的圓軌道衛(wèi)星組成，記作Walker T/P/F所有軌道上面的衛(wèi)星等間距分布均勻，每個軌道面之間的升交點經(jīng)度間距呈相同角度分布均勻，為此T=s乘以p，即同軌道面的衛(wèi)星個數(shù)乘以軌道面?zhèn)€數(shù)=衛(wèi)星數(shù)量。相位參數(shù)F對相鄰兩條軌道之間衛(wèi)星的相對相位進行確定，F(xiàn)是0到P-1的整數(shù)，是最東方的衛(wèi)星軌道到最為西方衛(wèi)星軌道之間的“縫隙”數(shù)量[2]。與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星導(dǎo)航對星座有著大不相同的機和限制，其中最明顯的就是導(dǎo)航應(yīng)用之中要求同時見到更多的衛(wèi)星，即需要多重覆蓋。就拿GPS系統(tǒng)來說，GPS導(dǎo)航解算最少需要4顆用戶可視的衛(wèi)星，以提供用戶確定三維位置和時間所必需的最少4個觀測量。因此，GPS星座的一個主要限制是必須一直提供至少4重覆蓋。為可靠地保證這種覆蓋水平，實際的GPS星座設(shè)計為提供4重以上的覆蓋，這樣即使有一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，也能至少維持4顆衛(wèi)星可見。

對于衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)（RNSS系統(tǒng)）星座的選擇，理論和實踐表明，高度在2 000 km以下的低軌衛(wèi)星星座是不合適的。歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在進行星座設(shè)計時所得出的結(jié)論和經(jīng)驗如下。

（1）最少要有24顆衛(wèi)星，才能實現(xiàn)中高等級的性能指標(biāo)。伴隨衛(wèi)星數(shù)量的增多，衛(wèi)星高度對性能指標(biāo)的影響逐漸降低。衛(wèi)星高度對精度的貢獻，在全球衛(wèi)星數(shù)量≥27顆的時候，就無貢獻可言。

（2）30顆MEO衛(wèi)星的星座方案為優(yōu)，選Walker 30/3/1的星座設(shè)計為最優(yōu)方案。當(dāng)半長軸大于等于25 000 km時，均能使垂直與水平精度優(yōu)于5.5 m（可用度優(yōu)于99.7%）。

（3）不用進行星座修改，增加在軌備份衛(wèi)星，即可實現(xiàn)可用度的提升。

文獻[3]指出，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在空間段由5顆GEO衛(wèi)星和24～30顆MEO衛(wèi)星組成，位于軌道傾角為55°的3個軌道平面內(nèi)，運行周期為12小時55分鐘，是一種全球構(gòu)架下并具有優(yōu)良區(qū)域定位性能的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。綜合以上討論的各種因素，選擇5GEO+30MEO的星座方案，利用STK軟件對星座進行建模仿真[3]。

2 衛(wèi)星可見性分析

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對衛(wèi)星信號的及時獲取，應(yīng)預(yù)估出衛(wèi)星相對于某一地面站點的可視衛(wèi)星數(shù)量、進出場時間等，進而實現(xiàn)對其運行狀況做到充分了解，科學(xué)地進行相關(guān)衛(wèi)星捕獲[4]。建立某地面站Beijing，其位置信息為（116.388°E、39.906 2°N），分析其在仿真時段內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤狀況。

（1）單顆衛(wèi)星跟蹤分析。利用STK提供的Access Tool分析工具，以Beidou2A衛(wèi)星為例，仿真時段設(shè)定為2007年7月1日12時到7月2日12時，時間跨度是24 h。要想得到Beijing站獲取Beidou2A衛(wèi)星的跟蹤時段信息，就在報告欄中選取Access。

（2）整個星座的跟蹤分析。對所有35顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星進行跟蹤分析，能夠?qū)⑷啃l(wèi)星對Beijing站的進出場時間獲取到。

（3）可見衛(wèi)星數(shù)目分析。利用STK鏈路工具，新建一個鏈路分析。將上述Beijing站和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星座當(dāng)做是鏈路之中的兩個對象放到目前鏈路之中，就能夠?qū)Ψ抡鏁r段里任何時間的Beijing站可視衛(wèi)星數(shù)量進行分析。該地面站點基本任何時間，都可以同時接收到來自北斗系統(tǒng)超過13顆的衛(wèi)星，18顆是最多的時候[5]。也就是說，能對多重覆蓋的要求進行滿足。

3 定位精度分析

位置精度與給定精度下的可信度，可以說是絕大部分用戶最為關(guān)心的。利用利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行定位，它取得的精度主要由2個方面的因素所決定。使用Accuracy=UERE×DOP表示位置精度，其中位置精度即Accuracy，精度因子即DOP，用戶等效距離誤差即UERE，用戶定位精度越低，其數(shù)值越大，反之其數(shù)值越小，用戶定位就獲得越高精度[6]。

等效距離誤差是根據(jù)衛(wèi)星至接收機的路徑上的各種因素（如鐘差、電離層延遲等）預(yù)測的偽距觀測值的變化值，精度因子反映衛(wèi)星的空間幾何分布，它是星座大小和軌道參數(shù)的一個函數(shù)。通常有平面位置精度因子HDOP、高程精度因子VDOP、空間位置精度因子PDOP、接收機鐘差精度因子TDOP和幾何精度因子GDOP[7]。利用以上各項精度因子，便可以從不同的方面對定位精度做出評價。通過對STK覆蓋分析模塊地利用，能將單個或是星座對象的區(qū)域與全局覆蓋問題分析出來。針對于Beijing站，對該站點仿真時段內(nèi)各DOP值進行計算，并將其隨時間變化的曲線繪制出來。此外，對全球范圍進行覆蓋分析，對DOP值伴隨地理位置的空間變化情況展開考察?？臻g分辨率取1°×1°，分析幾何精度因子GDOP隨經(jīng)緯度的變化。全球范圍內(nèi)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GDOP值均在1.7以內(nèi)，總體上曲線起伏較小，說明北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)連續(xù)性。GDOP值在中低緯度地區(qū)相對比較小具有穩(wěn)定性，GDOP值隨經(jīng)度變化較緯度方向相對明顯，整體上在1.65左右。由于存在5顆增強區(qū)域?qū)Ш叫阅艿腉EO衛(wèi)星，故在我國及周邊地區(qū)的經(jīng)度范圍內(nèi)GDOP較之其他經(jīng)度范圍略小，處于1.30左右，其他經(jīng)度范圍內(nèi)，GDOP水平在1.60左右。

我們不難看出，在世界范圍內(nèi)BDS系統(tǒng)的設(shè)計有著優(yōu)良的覆蓋品質(zhì)，能夠?qū)⒏呔鹊膶?dǎo)航定位服務(wù)提供給客戶，是一種全球構(gòu)架之下區(qū)域定位性能良好的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

4 結(jié)語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前仍處于建設(shè)階段，本文利用STK提供了強大的衛(wèi)星仿真平臺對北斗系統(tǒng)進行了仿真分析，仿真精度還需等待系統(tǒng)完成建成，并在正式投入運行之后展開進一步驗證。本文所做工作對開拓北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域具有一定意義，同時可以為具體的空間任務(wù)設(shè)計提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

參 考 文 獻

[1]Paul Massatt，Micheal Zeitzew.The GPS Constellation Design-Current and Projected[C].Proceedings of The National Technical Meeting “NAVIGATION 2000”.Long Beach.California，1998：569-574.

[2]佚名.歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS-2）比較研究（八）[R].周傲松，譯.中國空間技術(shù)研究院，2001.

[3]譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學(xué)報，2008，29（2）：392-396.

[4]楊穎，王琦.STK在計算機仿真中的應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005：87-120..

[5]柴霖，袁建平，方群，等.基于STK的星座設(shè)計與性能評估[J].宇航學(xué)報，2003，24（4）：421-423.

[6]代明鑫，張文明，王雪松.基于STK的SAR衛(wèi)星軌道預(yù)報設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2008，36（1）：5-9.

[7]周廣勇，李良良.基于STK的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)DOP值仿真[J].地理空間信息，2009，7（3）：102-104.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]