IGSO/GEO卫星对北斗系统导航性能的贡献分析

肖乐杰,孙付平,李亚萍,彭文生,蔡韧鸣

(信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450001)



IGSO/GEO卫星对北斗系统导航性能的贡献分析

肖乐杰,孙付平,李亚萍,彭文生,蔡韧鸣

(信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450001)

北斗卫星导航系统作为全球四大系统之中是唯一采用IGSO/GEO/MEO异构星座的导航系统。通过STK仿真分析IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座的卫星可见数、位置精度衰减因子和定位精度等指标,确定IGSO/GEO卫星在单站和全球情况下对北斗星座导航性能的影响,给出IGSO/GEO卫星对北斗导航性能增强的区域。这对IGSO/GEO卫星应用于导航系统起到一定理论支撑作用。

IGSO/GEO卫星;导航性能;卫星可见数;位置精度衰减因子;定位精度

0　引　言

我国设计建设的北斗卫星导航系统已经在中国及周边区域提供导航定位服务[1]。按照“三步走”的发展战略,到2020年,北斗全球卫星导航系统的异构星座将由5颗GEO卫星、3颗IGSO卫星、27颗MEO卫星构成,并提供全球PNT服务。现阶段,北斗星座导航性能研究主要集中于区域或全球范围内卫星可见数、位置精度衰减因子和定位精度等方面[2-7]。针对北斗星座中所特有的IGSO/GEO卫星的研究只是停留在定位分析层面,没有涉及到其对北斗系统导航性能的贡献分析[8]。基于此,本论文在仿真北斗IGSO/GEO/MEO异构式星座的基础上对北斗IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座在单站和全球范围内的卫星可见数、PDOP值和定位精度等性能指标进行详细的模拟分析,进而以确定IGSO/GEO卫星对北斗星座性能的影响。

1　星座结构仿真

依据中国卫星导航系统管理办公室所发布的《北斗卫星导航系统公开服务性能规范》中的数据进行仿真,星下点轨迹如图1所示:5颗GEO卫星相对静止在东南亚赤道上空;3颗IGSO的星下点轨迹形如“8”字形分布在中国大陆周边上空;

虚线部分代表实现全球覆盖的27颗MEO卫星。 从星下点轨迹图可以看出:3颗IGSO卫星可使部分区域用户拥有更多选择。

图1　星下点轨迹

2　对比分析

对导航星座而言,连续覆盖指标用卫星可见数表示。而导航系统的空间构型指标可通过精度衰减因子(DOP)值和定位精度来描述。而本文以位置精度衰减因子(PDOP)为标准,将用户所关心的位置定位精度表示为[9]:定位精度=UERE×PDOP, UERE为用户等效距离误差。等效距离误差是根据导航卫星至接收机的路径上的各种影响因素(例如电离层、对流层等)预测的伪距观测值的变化值。

本文通过STK软件仿真分析北斗IGSO/GEO/MEO星座和MEO星座的卫星可见数、位置精度衰减因子PDOP值和定位精度来评估IGSO/GEO卫星对系统的贡献。仿真时间为2015年3月30日04时—2015年3月31日04时;分析范围为单站和全球两种情况;采样间隔为300 s;经纬度网格为2°×2°;卫星最低高度角为5°;在标准定位情况下MEO卫星、IGSO卫星的等效距离误差UERE为7 m; GEO卫星的UERE值为11 m[10]。

2.1单点情况

根据对图1的星下点轨迹的初步分析,选取单站做分析。参考站点选择遵循以下原则:

1) 选取高中低纬地区站点,以便对比分析北斗IGSO/GEO卫星在高中低纬度地区的增强作用;

2) 选取两个纬度大致相同经度差别较大的站点进行对比分析。

按照以上原则及图1所示中IGSO/GEO卫星的星下点轨迹,选取亚太国家5个观测站,Markov,San Francisco,Shijiazhuang,Singapore,Melbourne等观测站点基本覆盖了从南北半球的高中低纬度地区,San Francisco站和Shijiazhuang站纬度相近。站点位置如图2所示,站点的具体位置如表1所示。

图2　站点分布

表1　站点详细分布

2.1.1卫星可见数对比分析

通过对比图3的单站卫星可见数可以确定在MEO星座条件下,只有Markov站和Melbourne站平均卫星可见数目在10颗左右,其他5个观测站的平均值都在8颗左右。在MEO星座加入IGSO/GEO卫星之后各站卫星可见数都有所增加,Markov、Singapore、Shijiazhuang、Melbourne站等位于西太平洋地区4站的平均卫星可见数达到15颗以上,增加50%以上。特别是Markov和Singapore两站平均卫星可见数增幅分别达到了69%和112%。位于太平洋彼岸的San Francisco站平均卫星可见数由7.71增加为7.86,基本没有变化,这也说明纬度接近Shijiazhuang站的卫星可见数目变化绝对变化值比San Francisco的大。这主要因为IGSO/GEO卫星没有覆盖到San Francisco站的区域。

图3　站点卫星可见数 (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站　　　(d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

2.1.2PDOP值对比分析

根据图4可以得到,在只有MEO导航卫星的情况下5个站点的PDOP平均值大致为1.8～2.0之间,且最大PDOP值都在2.50左右,最小值也在1.35左右,这种情况符合常规Walker24/3/1星座的性能要求。MEO星座加入IGSO/GEO卫星后各站PDOP值变化不一,位于西亚太的Markov、Shijiazhuang、Singapore、Melbourne的四站点的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,减幅为32%左右;最大值由2.5左右降为1.5左右,减幅为40%左右;最小值由1.35左右降为1.1左右,减幅为19%左右。但San Francisco站点各项PDOP值基本没有变化。这也说明了北斗IGSO/GEO卫星对改善北斗MEO卫星星座的空间结构有一定的积极作用,特别是对改善系统在西太平洋地区的星座空间结构有较大贡献。

2.1.3定位精度对比分析

根据图5可以得到,在只有MEO导航卫星的情况下5个站点的定位精度平均值大致9～13之间,且最小值也在6.50左右,且各站之间的差别不大,由于MEO卫星的低倾角原因,致使高纬度地区的Markov定位精度较低,平均定位精度只有14左右。MEO星座加入IGSO/GEO卫星后各站的定位精度变化并不一致,位于西亚太的Shijiazhuang、Singapore、Melbourne的3站点的定位精度平均值和最大值都有较大幅度的降低,也就是说站点的定位精准度有所提高。平均定位精度值由10左右提高为6.5左右,减幅为35%左右;最大值由13左右提高8.5左右,减幅为35%左右;最小值6.5左右提高为5.0左右,减幅为23%左右。值得注意的是Markov站的平均定位精度值由13.82提高为6.41,减幅为53%;其最大值由18.4提高为7.8,减幅为57.8%。反观纬度与Shijiazhuang站点相近的San Francisco站点的定位精度基本没有变化。这说明了IGSO/GEO卫星对改善MEO星座在西太平洋地区的定位精度有一定的作用,特别是对在接近北冰洋的高纬度有较强的改善效果。

图4　站点的定位精度 (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站; (d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

图5　站点的定位精度 (a) Markov站; (b) Singapore站; (c) Melbourne站; (d) San Francisco站; (e) Shijiazhuang站

2.2全球情况

2.2.1卫星可见数

通过图6可以看出MEO导航卫星星座全球范围内卫星可见数目(MEO星座全球范围图由于篇幅原因未给出,下同)在5颗～9颗之间,且分布均匀。加入IGSO/GEO后全球范围内卫星可见数目在5颗～20颗之间,且明显看出在中国大陆、东南亚、澳大利亚、俄罗斯高纬度等地区卫星可见数较多,达到15颗以上;其中中国大陆周边区域的卫星可见数可以达到18颗以上,图6示出了全球范围内的卫星可见数,大幅度提高了上述这些地区北斗用户的选择范围。

2.2.2PDOP值

通过图7观察北斗系统在全球范围内MEO星座所提供的PDOP值和加入IGSO/GEO导航卫星后的图像,MEO导航卫星星座全球范围内PDOP值在1.40～1.70之间,且分布均匀。GEO/IGSO/MEO导航星座全球范围内PDOP值在1.0～1.7之间,且明显看出在中国大陆、东南亚、澳大利亚、俄罗斯高纬度等地区PDOP相较其他地区和北斗MEO导航卫星星座所能提供的数值更加理想。说明IGSO/GEO卫星的存在对上述地区的卫星空间结构有较大的改善。

图6　全球范围内的卫星可见数

图7　全球范围内的PDOP值

2.2.3定位精度

通过图8中北斗MEO卫星星座所提供的定位精度和GEO/IGSO/MEO导航星座所提供的定位精度之间对比,MEO导航卫星星座全球范围内定位精度在13～15 m之间,且分布均匀,不存在对中国大陆周边的增强。GEO/IGSO/MEO卫星星座全球范围内定位精度在9～15 m之间,且明显看出在中国大陆、东南亚、澳大利亚、俄罗斯高纬度等地区定位精度相较其他地区和北斗MEO导航卫星星座所能提供的定位精度更加优越。这种分布情况与卫星可见数目和PDOP值得分布特点基本一致。

图8　全球范围内定位精度

3　结束语

通过单站和全球范围对比分析IGSO/GEO卫星对北斗卫星导航系统的卫星可见数、PDOP值和定位精度等性能指标在中国大陆、东南亚、澳大利亚、俄罗斯高纬度等区域有较大范围提高。也就是说在这些地区有IGSO/GEO卫星的加入使北斗系统的导航性能更加优越。

[1] 杨元喜.北斗卫星导航系统的发展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-5.

[2] 杨鑫春,李征航,吴云.北斗卫星导航系统的星座及XPL性能分析[J].测绘学报,2011(40):68-72.

[3] 杨元喜,李金龙,王爱兵,等.北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J].中国科学(地球科学),2014,44(1):72-81.

[4] 杨元喜,李金龙,徐君毅,等.中国北斗卫星系统对全球PNT 用户的贡献[J].科学通报,2011,56(21):1734-1740.

[5] 杨鑫春,徐必礼,胡杨.北斗卫星导航系统的星座性能分析[J].测绘科学,2013,38(2):8-12.

[6] 刘根友,郝晓光,陈晓峰,等.对我国二代卫星导航系统覆盖范围向北扩展星座方案的探讨[J]. 大地测量与地球动力学,2007,27(5):115-118.

[7] 陈岩,陈晖,丁前军.“北斗二号”卫星导航系统覆盖仿真分析[J].通信技术,2009(6):171-173.

[8] SHI C, ZHAO Q, HU Z,etal. Precise relative positioning using real tracking data from COMPASS GEO and IGSO satellites.[J].GPS Solutions,2013(17):103-119.

[9] O'DONNELL M ，WATSON T,FISHER J. A study of Galileo performance-GPS interoperability and discriminators for urban and indoor environments[C]// Proceedings of the 15th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 2002), Oregon Convention Center Portland, 24-27, September 2002:2160-2172.

[10]KAPLAN E D, HEGARTY C T. GPS 原理与应用[M].寇艳红译.2版.北京：电子工业出版社，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

国家自然科学基金(批准号:41374027)

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0016-05

肖乐杰(1991-),男,河南濮阳人,研究生,主要研究组合导航方向。

孙付平(1965-),男,河南人,博士生导师,主要研究方向组合导航、时空基准。

李亚萍(1989-),女,河南商丘人,研究生,主要研究时空基准。

彭文生(1985-),男,江西乐安人,研究生,主要研究组合导航方向。

蔡韧鸣(1993-),男,湖南株洲人,研究生,主要研究GNSS数据处理。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.004

联系人： 肖乐杰 E-mail: xiaolejie6@163.com