BDS卫星轨道周期重复性分析

宋冰,马晓东,张书毕

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院,徐州 221116;2.江苏省资源环境信息工程重点实验室,徐州 221116)



BDS卫星轨道周期重复性分析

宋冰1,2,马晓东1,2,张书毕1,2

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院,徐州 221116;2.江苏省资源环境信息工程重点实验室,徐州 221116)

北斗卫星导航定位系统中包含了GEO/IGSO/MEO三种不同类型的卫星,每种类型的卫星分别具有独特的运行特性。本文利用香港地区锦田站的实测数据,从广播星历中提取轨道参数计算获得了北斗卫星导航系统(BDS)的卫星轨道运行周期,并以图表的形式直观展示了GEO/IGSO/MEO卫星的轨道特征。实验结果证明,GEO与IGSO卫星的轨道重复周期均为一个恒星日时长,MEO卫星的轨道重复周期为近7个恒星日时长,可为后期BDS定位中的周期性误差研究提供参考。

北斗;轨道特性;轨道重复周期;多样性

0 引 言

2012年北斗在亚太地区成功组网运行,并且向亚太地区的用户提供实时定位、导航及授时(PNT)服务[1-3]。截止到2016年3月30号,北斗在轨卫星数已达到22颗,其中可观测卫星有13颗,包括5颗地球同步轨道(GEO)卫星,5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,3颗中圆地球轨道(MEO)卫星[4-5]。BDS这种独特的星座结构成为其区别于其他导航系统的主要因素。GEO及IGSO卫星的存在,使得亚太地区的用户卫星的可观测性和定位精度得到了极大的提高[3]。但定位精度的改善仅限于精度较低的伪距用户。对于高轨的GEO 和IGSO 卫星角速度较慢,GEO卫星尤为严重,因此在将GEO/IGSO/MEO 联合应用于高精度定位时,必须充分考虑到由BDS卫星相对于用户接收机位置变化对用户高精度定位的影响[6-8]。尤其是在接收机位置及周围环境固定的情况下,用户的定位误差存在明显的周期性,而这种周期性与卫星的运行重复周期间存在着极大的相关性[9]。

为反映出BDS不同星座以及相同星座下不同

卫星的轨道重复周期特征,文中依据香港地区锦田站长达一个月的BDS实测数据验证了BDS卫星的轨道重复周期。

1 BDS卫星星座结构

为了更直观地了解和认知目前BDS卫星在亚太地区的星座结构和卫星分布情况,本文取香港锦田站一天的BDS卫星实测观测数据取代以往的仿真模拟数据,已达到真实反映BDS运行状态的目的。以60 s为采样间隔计算BDS卫星位置坐标,并将卫星坐标转换为经纬度(B/L)。同时将详细给出该测站一天内可跟踪卫星的观测时长信息。测站信息如表1所示,BDS可观测时长如图1所示,BDS卫星分布情况如图2所示。

表1 测站信息

图1 2015/12/24锦田站可观测卫星运动轨迹

图2 2015/12/24日锦田站可观测卫星可见性卫星运行轨迹

图1明确直观地显示了香港地区锦田观测站可追踪到BDS三种不同星座卫星共13颗,但每颗卫星可观测性不同。从图中可知GEO卫星的可见性较好,可观测时间较长,5颗卫星均可被观测到,这主要得益于BDS独特的星座结构方式,即5颗GEO卫星分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°,如图2所示,这种星座布局方式可以极大地保证在亚太中低纬度地区的用户在任何时刻都能观测到足够数量的卫星信号进行定位导航;相比较而言,5颗IGSO卫星的可见性良好,从图2中可直观的看出该类型卫星均匀分布在3个倾斜同步轨道面上,同时按照近8字型运转,但是由于文中采用的观测数据中卫星截止角为10°造成部分观测数据无法参与计算,导致图2中显示的IGSO运行轨迹并不是完全的8字型。与其他两种卫星相比,MEO卫星的可见性较差,目前可观测时长较短,这主要是由于MEO卫星是全球运转卫星且数量较少,故单颗卫星存在明显的观测空窗,此种情况有望在BDS全球组网成功后得到极大的改善。

2 BDS卫星运行周期

2.1 卫星轨道特性

从图2中可以直观的发现GEO与IGSO卫星的轨道轨迹,并在上节中对这两种星座卫星轨迹特征进行了简单的描述。本节将重点对MEO卫星的轨道特征进行详细的论述。在已知MEO每天卫星轨迹的基础上,本文利用锦田站2015年12月23/24/30号三天的实测数据进行计算处理以分别获取MEO卫星在这三天中相应位置坐标,并将坐标结果分别转换为经纬度(B,L)坐标以及相对于测站中心位置的方位/天顶距(az,el)坐标。由图1可知在现行的MEO卫星中12号星的可观测性较好且可观测时段连续,故文中仅以MEO-12号卫星的运行轨迹图为代表来论述MEO卫星的运行轨迹,结果如图3、图4所示。

图3 2015年12月24/25/31日MEO-12卫星运行轨迹

图4 2015年12月24/25/31日MEO-12卫星空天图

图3和图4中直观的展示了MEO-12卫星在24、25、31这三天中的运行轨迹。不难发现该卫星在24、25相邻两天的运行轨迹没有任何的相关性,相反却在24、31两天表现出了极大的相关性(轨迹基本重合)。MEO-12号卫星的运行轨迹的重复周期应为7个恒星日,而不是1个恒星日,这也使得MEO卫星显著区别于GEO/IGSO以及GPS等其他类型GNSS卫星,因此在某些特定应用下不得不将BDS中MEO卫星的运行周期纳入考虑范围。

2.2 BDS轨道重复周期

卫星轨道重复周期指的是同一卫星在相邻两天通过同一地点所需时间,Kristine[10]在2007年做了深入详细的研究,结果表明,GPS的轨道重复周期并非标准的恒星日时长,其每天的重复周期时间提前量均值为246.8 s,同时不同卫星间周期时长存在些许差异。同样每颗BDS在轨卫星都拥有独立的运转周期。

为了解BDS不同星座结构间以及相同星座类型下不同卫星间的轨道重复周期特性,文中以锦田站2015年12月的卫星广播星历数据,从中提取出相应的星历参数,依据开普勒第三定律公式(1)、(2)计算出各颗卫星的轨道重复周期。在此需要说明的是GEO/IGSO均为地球同步轨道卫星;MEO为全球运转卫星,并在2.1节中已验证IGSO卫星的轨道重复周期约为7天,故得出公式(2)中的周期计算方式。最终将该周期量以相对1(GEO/IGSO)/7(MEO)个标准太阳日的时间提前量的形式展示在图5、图6、图7中。为直观展示5颗MEO卫星的轨道重复周期时间提前量的规律特性,现分别对MEO2/3/4/5号卫星的计算结果增加常量20、40、60、80 s,结果如图5所示。

(1)

(2)

图5 GEO卫星轨道重复周期提前量

图6 IGSO卫星轨道重复周期提前量

图7 MEO卫星轨道重复周期提前量

从图5、图6、图7中可以看出GEO/IGSO/MEO这三种不同星座类型卫星间的轨道重复周期存在着明显的差异性,且相同星座类型下的各颗卫星间同样存在着明显的差异。图5所呈现的GEO卫星间周期提前量波动较大,同颗卫星的最大波动量可达40 s,由于GEO卫星均为地球同步卫星,理论上应与地球保持同步运转保持相对静止,但由于该类型卫星存在一个小角度的摆动,即GEO卫星非完全静止卫星,这极可能是造成以上结果的主要原因。但GEO1-5保持着近乎相同趋势的波动性。图6所呈现的IGSO卫星间的周期提前量表现的相对独立,每颗卫星都有相对固定的周期提前量,同时保持着相对稳定平缓的周期性波动,仅有10号星在12月26号附近发生了巨大跳变,跳变的原因极可能是由于卫星运行轨道发生了些许变动。图7呈现的MEO卫星的轨道周期提

前量显得尤为特殊,但是整体趋势较为平稳,造成这种现象的原因已在本文前面部分进行了说明,因此在有MEO卫星参与定位工作时,如变形监测在数据处理阶段应将这一因素考虑在内,以避免由MEO卫星产生的周期性误差影响最终定位结果的精度。

3 结束语

针对BDS这种独特的星座结构设计,本文利用香港地区锦田站长达1个月的实测数据分析验证并获得了BDS三种不同星座卫星的轨道特性以及相应的轨道重复周期特征,得出以下结论:

1) BDS中MEO卫星的运行轨迹在相邻两天没有任何相关性,却与相隔7天的运行轨迹表现出了极强的相关性,即MEO卫星的轨道重复周期约为7个恒星日；

2) BDS三种不同星座结构的卫星中,GEO卫星的轨道重复周期波动较大,同一卫星的最大波动幅度可达40 s,相比较而言MEO卫星表现的较为稳定,IGSO卫星的轨道重复周期最为稳定;整体而言相同星座结构类型的卫星都保持着近乎相同的变化趋势；

3) 在长期的变形监测数据处理过程中,需要特别注意具有周期重复性的误差项的处理,如与卫星轨道重复周期具有极大相关性的载波相位多路径误差，这项工作将在后续的工作中进行深入的研究。

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Analysis of BDS Satellite Orbit Periodicity

SONG Bing1,2,MA Xiaodong1,2,ZHANG Shubi1,2

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China; 2.KeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentInformationEngineeringofJiangsuProvince,Xuzhou221116,China)

Beidou satellite navigation and positioning system includes three different types of satellites, they are GEO/IGSO/MEO, each type of satellites have unique operating characteristics. BDS orbital repeat period were obtained by calculating the orbital parameters that extracted from broadcast ephemeris in Kam Tin HK Station, and the features of GEO/IGSO/MEO satellite orbit were displayed in chart form. Experimental results show that the orbital repeat period of GEO and IGSO satellites are about one sidereal day, and that about 7 sidereal days to MEO satellites, and this can provide a reference for study on periodical error in BDS positioning in the late.

BDS; orbit property; orbital repetition period; diversity

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.009

2016-05-13

国家自然科学基金(批准号:41504032); 江苏省自然科学基金(批准号: BK20150175)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0047-04

宋冰 (1977-),男,江苏连云港人,博士生,研究方向为卫星导航定位理论与应用。

马晓东 (1992-),男,江苏徐州人,硕士生,研究方向为GNSS数据处理。

联系人： 马晓东 E-mail: maxdcumt@163.com