全球广义定位报告系统星座配置分析

● 文| 北京卫星导航中心 薛峰 任晖 汪淼



全球广义定位报告系统星座配置分析

● 文| 北京卫星导航中心 薛峰 任晖 汪淼

摘要：随着我国导航系统的快速发展，全球范围内定位报告、短报文通信的需求进一步扩大。本文针对全球广义定位报告系统星座设计方案，通过对不同轨道平面、卫星数量信号覆盖情况进行仿真，进而得出相关结论。结果表明，广义定位报告系统采用3颗静止轨道卫星、3颗倾斜轨道卫星和24颗合理配置的中圆轨道卫星，可以在全球范围内提供45°以上仰角的位置报告服务，可用性接近99%。

关键词：广义定位报告系统 观测仰角 星座配置

一、概述

北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System，BDS）是真正意义上的导航定位报告系统。该系统采用卫星无线电导航定位报告体制（Radio Determination Satellite System，RDSS），即基于卫星无线电测量实现卫星无线电导航、定位报告和短报文通信等业务。与“GPS定位＋铱星全球移动通信”相比，具有性价比高，位置报告简单、自主、安全、快速，双业务融合等诸多优势[1]。传统定位报告业务的空间段由地球静止轨道卫星( GEO )组成，广义定位报告业务的空间段可以是任意卫星，即非GEO（NGEO）组成，几何原理均为三球交汇位置确定原理，传统的定位报告业务是广义定位报告业务的子集。

本文扼要论述了RDSS的理论基础，并针对未来全球广义定位报告业务卫星配置方案进行仿真分析，提出满足45°仰角要求的配置方案。

二、 RDSS定位报告原理

1．传统定位报告原理

传统双星定位报告由两颗定位报告卫星（RDSS）、用户设备（UE）、中心处理系统（MCC）组成的闭环测量链路及通信信道实现用户定位及位置报告[1]。双星定位报告原理如图1所示，两颗卫星均为无线电定位（RDSS）卫星，RDSS卫星的有效载荷为出站、入站变频转发器。

图1　双星定位报告原理

工作过程具体如下：

1）MCC以本地北斗时（BDT）同步产生出站询问信号；

2）RDSS卫星连续转发MCC的问询和测量信号；

3）UE测量两颗RDSS卫星信号的时差值，在RDSS卫星的指定时刻发射入站信号，并将时差测量值传回MCC；

4）MCC根据用户设备的入站信号，获得MCC→RDSS卫星→UE的双向距离和两颗RDSS卫星信号的时差值；

5）利用双向距离完成用户双向定时，确定用户钟差；基本原理为双向卫星中继无线电伪距同步，是利用GEO卫星转发器实现地球站间时间同步的方法[2]；

6）利用钟差修正用户观测伪距；

7）电离层误差直接使用格网数据进行电离层修正，或利用回传的所有可见星观测数据，计算用户对可见星的穿刺点，解算不同穿刺点的电离层延迟，进而可内插出用户的电离层延迟；

8）根据地理高程库查得UE所在点大地高；

9）MCC根据修正后伪距和高程值组成用户三维位置的解算方程组，通过查图迭代计算实现用户定位及位置报告。

2．广义定位报告原理

广义定位报告系统实质上是一个多参考站距离测量无线电定位系统[2]。在传统双星定位报告的基础上，增加了一颗卫星无线电导航（RNSS）卫星，通过增加一个时差观测量增加一个方程，从而减少了依托高程库查图的计算流程，有效提高了定位报告的服务区范围和实时性。

3．广义定位报告用户终端原理

定位报告用户终端在本地钟控制下实时采集所有可视导航卫星的RNSS信号，从而测得各卫星的伪距、载波相位等观测量，同时接收和响应定位报告卫星的询问信号，将测量得到的各卫星RNSS伪距、载波相位、偏心改正等信息通过定位报告系统入站链路传送给业务处理系统。可通过出站链路实时接收定位结果，并在显示屏上显示或通过串口输出[3]。

用户终端主要可以划分为天线模块、信道模块、基带信号处理模块、信息处理模块、人机交互控制和整机结构等几部分，具体组成框图如图2所示。

三、全球广义定位报告系统星座配置方案分析

目前定位报告系统在GEO卫星上搭载有效载荷，仅能满足中国及周边地区用户需求。要实现全球定位报告服务，需要增加配置RDSS载荷的卫星数量，从目前的GEO星座向GEO+NGEO星座扩展，即必须在移动卫星上加装RDSS载荷，并利用广义定位报告技术体制和星间链路进行数据交换。

用户机可以对可视范围内5°以上仰角的所有导航卫星信号进行观测，而定位报告服务只在具备该载荷的卫星覆盖范围内才能获取服务，由于遮挡等原因城市区域对观测仰角要求较高，因此需要针对不同的卫星配置方案开展观测仰角分析，得到最高仰角的星座配置方案。从用户实际使用角度考虑，45°仰角基本能够确保一般使用环境下的可视要求。

目前全球导航系统全部采用Walker星座构型，其中GLONASS、Galileo采用Walker 24/3/1，GPS采用Walker 24/6/1，下面针对几种不同的Walker星座配置方案开展分析。

1．Walker X/3/1星座分析

设定卫星星座配置分别为Walker24/3/1、Walker27/3/1、Walker30/3/1和Walker33/3/1，第一轨道面升交点赤经为0°。采用仿真软件开展全球区域覆盖分析，设置满足条件为计算的最高仰角大于等于45°，星座构成如图3所示。

表1　不同卫星数45°仰角满足情况

由表1可见，27颗卫星是Walker X/3/1星座中满足全球服务区高仰角的最佳配置，更多和更少的Walker X/3/1卫星构型均无法改善卫星观测仰角，此时在全球服务区内可以确保43°的观测仰角。该方案与北斗全球系统北斗星座5颗GEO卫星的轨道位置分别为58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E，3颗IGSO的倾角为55°，交叉点经度为118°E[4]的方案是匹配的。

2． Walker X/4/1星座分析

Walker 24/4/1星座构成如图4所示。

图4　试算RDSS业务星座构成

由表2可见，32颗卫星是Walker 32/4/1星座中满足全球服务区高仰角的最佳配置。

表2　不同卫星数45°仰角满足情况

3． Walker X/5/1星座分析

Walker 25/5/1星座构成如图5所示。

Walker X/5/1星座的覆盖性结果如表3所示。

图5　试算RDSS业务星座构成

表3　不同卫星数45°仰角满足情况

由表3可见，30颗卫星是Walker 30/5/1星座中满足全球服务区高仰角的最佳配置，可以100%满足全球45°仰角观测。

4． Walker X/6/1星座分析

Walker 24/6/1星座构成如图6所示。

Walker X/6/1星座的覆盖性结果如表4所示。

表4　不同卫星数45°仰角满足情况

由表4可见，24颗卫星是Walker 24/6/1星座中满足全球服务区高仰角的最佳配置，可以98.81%满足全球45°仰角观测。

图6　试算RDSS业务星座构成

5．比较分析

通过以上不同轨道数量下计算分析，得到全球范围24~25颗卫星和30颗卫星两种卫星数量下最小45°仰角满足情况，如图7、8所示，统计结果详见表5。

图7　服务区内观测仰角满足情况

图8　服务区内观测仰角满足情况

表5　不同轨道面不同卫星数45°仰角满足情况

由表5可见，Walker星座轨道面越多覆盖性越好，其中24~25颗卫星Walker 24/6/1星座最优，98.81%时段满足要求；30颗卫星Walker30/5/1星座最优，100%时段满足要求。

四、结束语

对于一般用户接收设备，大于45°仰角可以放低对用户设备天线的要求，因此，全球广义定位报告业务可在3GEO+3IGSO+24MEO卫星上配置定位报告载荷，利用5~6个MEO卫星轨道平面满足全球广义定位报告系统45°仰角的观测要求。但轨道面过多对维持星座代价较高，一般采用3个轨道面的星座构型，此时可以满足43°仰角的观测要求。

本文针对全球广义定位报告业务可能的配置方案进行了探讨，具体方案需要统筹各方面的要求综合确定。

参考文献

[1]谭述森，李琳．北斗系统导航定位报告体制与工程技术[J]．导航定位学报，2013，3：1-5.

[2]谭述森.导航卫星双向伪距时间同步[J]．中国工程科学,2006，8(12)：70-75.

[3]谭述森．广义卫星无线电定位报告原理及其应用价值[J]．测绘学报，2009，38（1）：1-5.

[4]杨元喜．中国北斗卫星导航系统对全球PNT用户的贡献[J]．中国科学，2011，21:1734-1740.