导航星座异构扩展对系统服务性能的影响

孙江艳,胡彩波,杨茂和,孙文龙

(北京卫星导航中心,北京 100094)



导航星座异构扩展对系统服务性能的影响

孙江艳,胡彩波,杨茂和,孙文龙

(北京卫星导航中心,北京 100094)

本文分析“北斗”区域卫星导航系统目前所采用的三种卫星混合组网的星座现状,通过设计扩展不同类型、不同数量的卫星,利用STK仿真软件,对所选重点区域和扩展区域的重要服务性能,如几何精度因子(GDOP)和可见卫星数量进行仿真,进而综合得出不同导航星座异构扩展对系统服务性能的影响情况。分析结果表明, IGSO卫星对增强系统对区域服务性能的提高具备更好的条件。根据“一带一路”非洲沿线国家重点城市的分布特点,进一步对星座异构扩展数量和在轨位置进行优化和改进,为有限条件下星座扩展实现服务性能最大化改善提供参考。

“一带一路”;北斗卫星导航系统;STK;GDOP值;可见卫星数

0 引 言

“海上丝绸之路”是中国与沿线国家深化经贸合作、完善基础设施、加强相互沟通、扩大文化交流的经贸合作之路[1],是新兴经济体合作与发展的重要战略平台[2]。建设“21世纪海上丝绸之路”是中国的重大战略。2015年中国海外港口建设高潮迭起,从巴基斯坦瓜达尔港移交中国开始,吉布提港、也门亚丁港、斯里兰卡科伦坡港等积极参与“一带一路”沿线合作[3]。建设海上丝绸之路面临诸多挑战和风险,领土争端、恐怖主义、自然灾害、劳资纠纷等问题难以预判和控制。北斗导航系统作为增强武器效能、维护国家安全的根本命脉,正在积极增强系统建设,在国家“一带一路”战略中为海上丝绸之路保驾护航发挥至关重要的作用。因此,在2020年左右全球服务能力实现之前,对“一带一路”沿线国家的区域服务能力亟待提高。

对于导航系统来说,影响其服务性能的关键指标包括精度、连续性、可用性、完好性、可靠性[4]。对于用户的实际使用来说,涉及到用户使用精度的是两个指标,URE和DOP,其中URE是卫星空间信号精度,DOP值为精度因子代表星座构型,即用户可视卫星的几何布局,反映了由于观测卫星与接收机空间几何布局的影响造成的伪距误差与用户位置误差间的比例系数,是评估用户位置精度的重要指标。导航星座性能一直是星座设计者和导航用户比较关注的问题,它对于军/民用飞行器、信息化武器装备等重要用户平台的安全性和使用有效性有着直接影响[5]。可视卫星几何分布越好,DOP值就越小,而在同等用户等效距离误差下,DOP值越小,代表星座分布结构越好,定位精度就越高[6]。

1 现有北斗卫星导航系统星座构型

对于轨道设计和控制,在实际卫星发射之前开展仿真分析、理论计算,有助于确认实现系统服务性能的最佳星座构成,数字仿真技术是最佳仿真手段选择,它具有计算精度高、适应范围广、通用性好等特点。设计得好的商业软件可以满足轨道设计的主要需求。在目前主流的商业轨道仿真软件中,STK软件在航天领域已得到广泛应用。运用STK对星座构型进行分析,结果一目了然,从而检验优化导航系统星座的质量[7]。

作为“一带一路”上的非洲支点,东非版块诸多城市成为经济特区已进入紧张建设阶段,扩充星座覆盖沿线城市进行有效分析、提升服务精度很有必要,因此本文选择仿真的扩展区域设置为-10°～55°N,35°～135°E,限制最小仰角为5°,因为MEO卫星的回归周期为7天,因此这里选择仿真时间为7天。区域内分辨率设置为Lat/Lon,其数值设置为1°.

增加卫星是提高精度实现服务性能增强的重要方式,为降低成本避免资源浪费,对卫星种类、数量和在轨位置的选择和设计尤为重要,有必要做出分析和优化。目前北斗卫星区域导航系统采用了GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星3种不同轨道高度卫星组成的混合星座,在北斗导航系统前期设计中,星座设计为5+5+4模式,即由5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星、4颗MEO卫星组成。如图1所示为7天内不同卫星对目前的重点服务区域(10°～55°N,70°～135°E)覆盖的可视时间分布。

图1 不同卫星对重点服务区的可视时间分布

结果显示MEO卫星对重点服务区的可视时间比GEO卫星和IGSO卫星短,因此,这里不讨论增加MEO卫星,由于轨位资源的限制,本文主要就增加IGSO卫星的数量和在轨位置进行分析,从而实现星座优化。

2 星座扩充性能分析

2.1 增加1颗IGSO卫星

当卫星处在轨道上任一点时,卫星的在轨位置便取决于真近点角[8]。以真近点角作为参数,30°为增幅,得出1组不同真近点角的卫星在轨位置数据,分别对所扩展区域和重点服务区域的GDOP值进行分析,结果如图2所示。

图2 区域平均GDOP值随真近点角的变化情况

分析显示扩展区域和重点服务区域的平均GDOP值随卫星真近点角的变化趋势基本相同。轨道1的卫星最佳真近点角范围在330°～360°之间,通过筛选不断缩小分析范围,最终确定最佳在轨位置增加卫星,既保证了重点服务区的服务能力不受影响甚至改善的同时,大大增强了对东非区域的系统服务性能。如图3所示。

图3 扩展区域GDOP值分布情况(a)5+5+4模式;(b)增加1颗IGSO卫星

不同轨道增加IGSO卫星选择最优在轨位置的方法类似,但是不同轨道卫星最优在轨位置有很大不同如图4所示。

图4 不同轨道卫星各自在轨位置对区域GDOP值的变化趋势

2.2 增加2颗IGSO卫星

不同轨道分别增加1颗IGSO卫星,划分轨位得出两组不同真近点角,通过排列组合筛选出最优在轨位置。图5所示为增加2颗最优轨位IGSO卫星后星座对扩展区域的平均GDOP值分布情

图5 增加2颗IGSO卫星后对扩展区域GDOP值的分布情况

况,结果显示扩展后星座不仅对我国境内西部地区的服务性能明显提升,尤其对东非区域有了极大改善,完全实现了增强对“一带一路”上非洲“支点”服务的目标。

3 重要城市服务性能分析

GDOP是综合的几何精度因子,GDOP越大,精度越差。由于卫星是运行的,对覆盖区的几何关系均不一样,因此不同地区的精度也有差异。[9]选取北京、三亚、喀什、吉布提港和瓜达尔港等重要位置的城市进行仿真分析,不同星座模式下各城市的平均GDOP值和卫星可视情况如表1、表2所示。

表1 不同城市平均GDOP值统计

表2 不同城市最少可见卫星数统计

综上结果分析,增加卫星时选择最佳在轨位置不仅对我国境内城市的服务性能有提升,尤其对非洲支点的吉布提和瓜达尔等重要城市更有显著改善。

选择最优轨位增加2颗IGSO卫星,对北京和吉布提一周内平均GDOP值变化情况统计,如图6、图7所示。

图6 增加2颗IGSO卫星对北京的平均GDOP值变化情况统计

图7 增加2颗IGSO卫星对吉布提的平均GDOP值变化情况统计

4 结束语

本文在“一带一路”背景下展开星座扩充研究,从卫星的种类、数量和在轨位置进行分析和优化,在不影响甚至增强系统对重点服务区服务性能的同时,实现“一带一路”下的东非重要港口城市的卫星覆盖和系统服务能力。

1) 有限的轨位资源、星下点运行轨迹的不同,使GEO卫星、MEO卫星不具备增强扩展区域系统服务性能的最优条件,因此首选IGSO卫星增强扩展区域系统服务能力;

2) 在设定的轨道增加IGSO卫星时,不同在轨位置对分析区域的平均GDOP值分布有很大不同,选取不同真近点角分析得出指定轨道的最优在轨位置,不仅可以实现对重点服务区域的系统服务性能提升,同时大大提高扩展区域即东非版块的服务能力,为有限条件下星座扩充实现服务性能最大化改善提供参考。

[1] 鞠华莹,李光辉.建设21世纪海上丝绸之路的思考[J].国际经济合作,2014(9):55-58.

[2] 蔡春林.新兴经济体参与新丝绸之路建设的策略研究[J].国际贸易,2014(5):25-29.

[3] 林备战.“一带一路”推动港口企业走出去[J].港口经济,2016(2):1-3.

[4] DOD/DOT.2001 Federal radio navigation plan. DO TVN TSC-RSPA-01-3.1/DOD-4650.5[R].2001.

[5] 徐嘉.故障星分布对星座PDOP可用性影响的建模及评价[J].航空学报,2008,29(5):1139-1143.

[6] 胡晓粉.北斗系统卫星可见性和精度因子分析[J].导航定位学报,2014,6(2):63-64.

[7] 丁溯泉.STK使用技巧及载人航天工程应用[M].北京:国防工业出版社,2016.

[8] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法 [M].北京:科学出版社,2008.

[9] 谭述森.卫星导航定位工程[M].北京:国防工业出版社,2010(7):67-69.

The Effect of Constellation Expansion on System Service Performance

SUN Jiangyan,HU Caibo,YANG Maohe,SUN Wenlong

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing,100094China)

The current situation of the three kinds of satellite hybrid networks of No.2 Beidou regional satellite navigation system is discussed in this paper. Through the expansion design of the style and number of different satellites,the important service performance of the selected important area and enlarged area such as Geometric Dilution Of Precision(GDOP) and N Asset Coverage is simulated using the STK software. The acquired analysis results show IGSO satellite has better conditions for enhancing system to improve regional service performance. According to the distribution characteristics of the key city along “The Belt and Road” in African countries, further optimization and improvement about the number and location in orbit of constellation expansion is executed and provide reference for constellation expansion to realize the maximum of service performance under limited conditions.

′The Belt and Road Initiative′; BeiDou regional satellite navigation system; STK; GDOP; n asset coverage

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.001

2017-01-15

TP 228.4

A

1008-9268(2017)02-0001-05

孙江艳 (1985-),女,助理工程师,主要从事卫星导航研究。

胡彩波 (1978-),男,高级工程师,主要从事卫星导航研究。

杨茂和 (1975-),男,工程师,主要从事卫星导航研究。

孙文龙 (1988-),男,助理工程师,主要从事卫星导航研究。

联系人: 孙江艳E-mail: sjy7297@126.com