基于iHCO通信衛(wèi)星的CAPS星座優(yōu)化研究

林榮超，馬利華，艾國(guó)祥，劉承志，徐小鈞，3

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于iHCO通信衛(wèi)星的CAPS星座優(yōu)化研究

林榮超1，2，3，馬利華2，艾國(guó)祥2，劉承志1，徐小鈞2，3

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System，CAPS)把壽命末期的地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)通信衛(wèi)星推到比GEO軌道高約200 km的傾斜高圓軌道(inclined Highly Circular Orbit，iHCO)，衛(wèi)星相對(duì)地球向西漂移。利用該類衛(wèi)星組建CAPS導(dǎo)航星座，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航通信覆蓋。重點(diǎn)開(kāi)展基于iHCO通信衛(wèi)星的CAPS星座優(yōu)化研究，結(jié)果表明:利用GEO通信衛(wèi)星和iHCO通信衛(wèi)星組成的星座可以實(shí)現(xiàn)較好的空間星座布局，可以滿足一般導(dǎo)航用戶的需要。

中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)；地球靜止軌道通信衛(wèi)星；傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星；導(dǎo)航星座

CN53－1189/P ISSN1672－7673

2002年11月，中國(guó)科學(xué)院的科研人員開(kāi)始研發(fā)基于地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)通信衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)，利用地球靜止軌道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面站發(fā)出的時(shí)頻信號(hào)和導(dǎo)航電文，用戶接收實(shí)現(xiàn)定位、測(cè)速和授時(shí)。該系統(tǒng)由于不需要發(fā)射專用導(dǎo)航衛(wèi)星，具有造價(jià)低和組建周期短等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮到由地面主控站發(fā)出的時(shí)頻信號(hào)，能夠保證較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，有利于高精度測(cè)距和導(dǎo)航定位[1－5]。在中國(guó)科學(xué)院、科技部、總裝備部和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的大力支持下，基于該創(chuàng)新理念的中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System，CAPS)演示驗(yàn)證系統(tǒng)已于2005年研制成功，并在中國(guó)六省市開(kāi)展測(cè)試驗(yàn)收。

通常情況下，制約衛(wèi)星工作壽命的一個(gè)重要因素是推進(jìn)劑，降低在軌衛(wèi)星的推進(jìn)劑消耗可以有效延長(zhǎng)衛(wèi)星的工作壽命。就地球靜止軌道通信衛(wèi)星而言，保持南北位置所消耗推進(jìn)劑約為保持東西位置的十倍甚至更多，因此僅實(shí)施東西位置保持(稱為傾軌操作)可以大幅度降低推進(jìn)劑的消耗，從而延長(zhǎng)衛(wèi)星的在軌工作壽命。中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)對(duì)壽命末期地球靜止軌道通信衛(wèi)星實(shí)施傾軌操作并用于組建導(dǎo)航通信星座，已經(jīng)取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[6－11]。把SIGSO通信衛(wèi)星推到比地球靜止軌道高約200 km的傾斜高圓軌道(inclined Highly Circular Orbit，iHCO)，衛(wèi)星相對(duì)地球向西漂移，大約140天(d)繞地球一圈。利用該類衛(wèi)星組建導(dǎo)航星座，衛(wèi)星繞地球漂移期間持續(xù)上行導(dǎo)航通信信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)導(dǎo)航通信覆蓋[12]。衛(wèi)星可以工作到燃料徹底用盡，實(shí)現(xiàn)通信衛(wèi)星導(dǎo)航的全壽命周期利用和空間廢棄資源的再利用。利用iHCO通信衛(wèi)星優(yōu)化導(dǎo)航星座是CAPS全球?qū)Ш降囊豁?xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

1 iHCO通信衛(wèi)星

iHCO軌道比地球同步軌道略高，相對(duì)地球向西漂移，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可以繞地球一圈。表1給出幾種iHCO軌道高度與繞地周期的關(guān)系。

可見(jiàn)，iHCO軌道越高，該軌道內(nèi)衛(wèi)星每天漂過(guò)地球經(jīng)度越大，繞地球一圈的時(shí)間越短?？臻g衛(wèi)星在軌道上始終受到日月引力、地球非球形引力、高層大氣阻力、太陽(yáng)光壓等多種攝動(dòng)力作用。因此，iHCO衛(wèi)星在繞地漂移期間，其軌道參數(shù)和空間姿態(tài)都會(huì)發(fā)生變化。iHCO衛(wèi)星測(cè)控站不需要保持衛(wèi)星在東西和南北方向的軌道位置，只需要定期調(diào)整衛(wèi)星對(duì)地姿態(tài)，因此星上推進(jìn)劑消耗進(jìn)一步減少，可延長(zhǎng)衛(wèi)星在軌工作壽命，并且利用該類衛(wèi)星可以避開(kāi)空間地球靜止軌道軌位申報(bào)協(xié)調(diào)等問(wèn)題[12]，方便工作更好開(kāi)展。

中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)采用iHCO通信衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為以下兩點(diǎn):

(1)在日月引力的攝動(dòng)作用下，iHCO衛(wèi)星軌道傾角每年增大0.7°到0.9°①經(jīng)姚翔.GEO棄置軌道衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.國(guó)家天文臺(tái)CAPS技術(shù)報(bào)告，2012.。因此，利用iHCO通信衛(wèi)星組成的星座可以改善空間星座布局，提高系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш蕉ㄎ弧?/p>

(2)每顆iHCO通信衛(wèi)星都有豐富的轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶資源，充分利用可以實(shí)現(xiàn)三頻/多頻高精度導(dǎo)航，建成具有換頻和多頻段導(dǎo)航功能的衛(wèi)星導(dǎo)航新系統(tǒng)，提高導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力；利用iHCO通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器頻段資源，可以開(kāi)展導(dǎo)航通信一體化。

表1 iHCO軌道高度與繞地周期Table 1 Correspondences between altitudes and periods for iHCOs

2 iHCO軌道高度優(yōu)選

通常情況下，當(dāng)?shù)厍蜢o止軌道通信衛(wèi)星進(jìn)入壽命末期，衛(wèi)星公司實(shí)施脫軌操作將衛(wèi)星送入墳?zāi)管壍?。根?jù)空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(Inter-Agency Space Debris Coordination Committee，IADC)規(guī)定:墳?zāi)管壍纼?nèi)衛(wèi)星最小近地點(diǎn)高度距地球同步軌道高度ΔH滿足:

式中，CR為太陽(yáng)光壓系數(shù)；A/m為衛(wèi)星的面質(zhì)比。據(jù)此，不同CR、不同A/m的衛(wèi)星，推離高度ΔH不同。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)提出2002年以后發(fā)射衛(wèi)星的墳?zāi)管壍乐辽俑哂谕杰壍?00 km，處于墳?zāi)管壍纼?nèi)的衛(wèi)星必須是“徹底死亡”:太陽(yáng)能電池放盡、關(guān)閉星載有效載荷、關(guān)閉指令接收機(jī)、排空星載推進(jìn)劑等。因此，選用的iHCO軌道高度應(yīng)該低于墳?zāi)管壍馈?/p>

空間碎片是指人類在空間活動(dòng)過(guò)程中遺留在空間的廢棄物。空間碎片的撞擊對(duì)航天器運(yùn)行的可靠性和安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)今地球外層空間中，由于多年的太空探索活動(dòng)產(chǎn)生了大量的空間碎片。因此，選用的iHCO軌道內(nèi)碎片分布應(yīng)該盡可能小。圖1給出地球同步軌道以上50 km到300 km iHCO軌道內(nèi)直徑大于1 m的空間碎片分布情況。

圖1 碎片數(shù)量統(tǒng)計(jì)示意圖[13]Fig.1 Number statistics of space debris above the GEO altitude

可見(jiàn)，高出地球同步軌道的高度越高，碎片數(shù)量越少，但減少程度越來(lái)越小。就碎片威脅程度，考慮到iHCO軌道內(nèi)衛(wèi)星的軌道高度起伏約為50 km，比地球同步軌道高150 km以上都可以作為iHCO軌道可用高度。但把通信衛(wèi)星推離同步軌道要消耗燃料，推離越高，消耗燃料越多。很多目前已經(jīng)進(jìn)入壽命末期的通信衛(wèi)星都是IADC規(guī)定發(fā)布前發(fā)射的，衛(wèi)星墳?zāi)管壍赖臉?biāo)稱高度非常低，高于同步軌道50 km以上即可。因此，綜合考慮上述因素，選定150 km作為iHCO軌道高度。以下的星座優(yōu)化研究中也選用iHCO比地球靜止軌道高150 km。

3 iHCO通信衛(wèi)星優(yōu)化CAPS星座研究

3.1 iHCO通信衛(wèi)星數(shù)量分析

在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，定位精度主要取決于星座空間結(jié)構(gòu)和測(cè)距精度。通常用位置精度衰減因子(Position Dilution of Precision，PDOP)來(lái)描述星座空間布局的優(yōu)劣。在測(cè)距精度一定的情況下，星座空間布局越好，位置精度衰減因子數(shù)值越小，定位精度越高。利用SIGSO通信衛(wèi)星組建導(dǎo)航星座，選用SIGSO衛(wèi)星數(shù)量越多，定位性能改善越明顯[10]。本節(jié)重點(diǎn)分析iHCO通信衛(wèi)星數(shù)量變化對(duì)星座位置精度衰減因子的影響。

分析中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)基礎(chǔ)星座由2顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星和4顆SIGSO通信衛(wèi)星組成。在87.5°E和110.5°E軌位各配置1顆地球靜止軌道衛(wèi)星，在51.5°E、71.7°E、130°E和163°E軌位各配置1顆SIGSO衛(wèi)星(軌道傾角設(shè)為3°)?？紤]到SIGSO衛(wèi)星過(guò)赤道的時(shí)間差與定點(diǎn)軌位的經(jīng)度差保持一致[1]。設(shè)置任一顆SIGSO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間后，其它SIGSO衛(wèi)星過(guò)赤道的時(shí)間隨之確定。設(shè)定衛(wèi)星可用的高度截止角為10°。從中國(guó)東部、西部、南部、北部和中部分別選取北京、上海、漠河、長(zhǎng)春、臺(tái)北、三亞、昆明、拉薩、喀什、烏魯木齊、酒泉和西安等12個(gè)地點(diǎn)作為測(cè)站。接收機(jī)從所有可視衛(wèi)星中選用4顆具有最佳位置精度衰減因子數(shù)值的衛(wèi)星星座組合。選用的iHCO衛(wèi)星數(shù)量分別設(shè)為3、 4、6、9顆不等，iHCO衛(wèi)星初始軌位列于表2。

分別計(jì)算不同星座時(shí)測(cè)站位置精度衰減因子日變化。上述12測(cè)站在不同星座下的位置精度衰減因子最大值和平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表3。

可見(jiàn)，隨著iHCO衛(wèi)星數(shù)量增多，星座的位置精度衰減因子最大值和日均值都有明顯改善。當(dāng)iHCO衛(wèi)星數(shù)量為3或4時(shí)，位置精度衰減因子日均值和最大值都偏大，絕大部分測(cè)站的位置精度衰減因子最大值超過(guò)40；iHCO衛(wèi)星數(shù)量為6或者9時(shí)，位置精度衰減因子日均值和最大值明顯變好，但當(dāng)iHCO衛(wèi)星為6顆時(shí)，星座對(duì)中國(guó)區(qū)域的覆蓋能力較差。因此，選定利用9顆iHCO通信衛(wèi)星組建導(dǎo)航星座做進(jìn)一步分析。

表2 iHCO衛(wèi)星初始軌位Table 2 The initial longitudes of the orbits of the chosen iHCO satellites

3.2 iHCO通信衛(wèi)星組建導(dǎo)航星座的位置精度衰減因子分析

iHCO衛(wèi)星軌道參數(shù)漂移規(guī)律與SIGSO衛(wèi)星相近②經(jīng)姚翔，張?jiān)仆?地球同步衛(wèi)星軌道相位分析.國(guó)家天文臺(tái)CAPS技術(shù)報(bào)告，2009.，因此iHCO通信衛(wèi)星和SIGSO通信衛(wèi)星過(guò)赤道的時(shí)間一致。選定某顆SIGSO衛(wèi)星過(guò)赤道的時(shí)間后，其他SIGSO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間隨之確定，同時(shí)位于某初始軌位iHCO通信衛(wèi)星過(guò)赤道的時(shí)間也可以確定?？紤]到iHCO衛(wèi)星星下點(diǎn)準(zhǔn)八字形軌跡向西漂，每天向西漂移經(jīng)度約為2°。9顆iHCO衛(wèi)星均勻布局時(shí)，相鄰iHCO衛(wèi)星經(jīng)度差為40°，即每隔20天任一顆iHCO衛(wèi)星會(huì)漂至其相鄰iHCO衛(wèi)星位置，而在此期間每天星座布局會(huì)有變化。以下分析iHCO衛(wèi)星優(yōu)化中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)導(dǎo)航星座時(shí)間段選定為31天，將該時(shí)段內(nèi)地面測(cè)站位置精度衰減因子日均值和最大值分別繪于圖2和圖3中(詳見(jiàn)每一子圖的“-n”線型)。

表3 12測(cè)站在不同星座下位置精度衰減因子日變化統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical results of the daily PDOP values measured at 12 stations for different constellations

事實(shí)上，也可以發(fā)射專用衛(wèi)星到iHCO軌道上，并組建中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)全球?qū)Ш叫亲?。此時(shí)iHCO通信衛(wèi)星過(guò)赤道的時(shí)間可以人為設(shè)置。與SIGSO通信衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間相比，分別設(shè)置iHCO通信衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間為:減3小時(shí)、減6小時(shí)、減9小時(shí)、減12小時(shí)、減15小時(shí)、減18小時(shí)、減21小時(shí)，并分別計(jì)算上述12個(gè)測(cè)站在31天內(nèi)的位置精度衰減因子日均值和最大值，計(jì)算步長(zhǎng)為1 min，結(jié)果繪于圖2和圖3(詳見(jiàn)每一子圖的“-xh”線型，x為與SIGSO衛(wèi)星過(guò)赤道的時(shí)間差，單位:小時(shí))。

圖2 12測(cè)站的位置精度衰減因子平均值Fig.2 Daily averages of PDOP values measured at 12 stations

圖3 12測(cè)站的位置精度衰減因子最大值Fig.3 Daily maximum PDOP values measured at 12 stations

可見(jiàn)，隨著9顆iHCO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間由“減3小時(shí)”、變?yōu)椤皽p6小時(shí)”、變?yōu)椤皽p9小時(shí)”時(shí)，位置精度衰減因子日均值越來(lái)越小(表4)。與SIGSO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間差為“減12小時(shí)”時(shí)，位置精度衰減因子日均值出現(xiàn)最小值。進(jìn)一步，隨著9顆iHCO過(guò)赤道時(shí)間為“減15小時(shí)”、“減18小時(shí)”、“減21小時(shí)”時(shí)，位置精度衰減因子日均值越來(lái)越大。位置精度衰減因子最大值(表5)也有類似的變化趨勢(shì)，但是規(guī)律不如日均值那么明顯?？梢?jiàn)通過(guò)調(diào)整iHCO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間，可以改善衛(wèi)星星座的空間布局，位置精度衰減因子可優(yōu)化至少30%以上。當(dāng)iHCO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間為“減12小時(shí)”時(shí)，進(jìn)一步結(jié)合測(cè)距誤差，系統(tǒng)定位精度可以滿足一般導(dǎo)航用戶的需要[14]。

表4 改變iHCO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間時(shí)12測(cè)站的位置精度衰減因子日均值變化統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical results of daily averages of PDOP values measured at 12 stations (for the iHCO satellites when their equator-crossing times are being reset)

表5 改變iHCO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間時(shí)12測(cè)站的位置精度衰減因子最大值變化統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical results of daily maximum PDOP values measured at 12 stations (for the iHCO satellites when their equator-crossing times are being reset)

4 結(jié) 論

中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)把壽命末期的地球靜止軌道通信衛(wèi)星推至iHCO軌道用于組建導(dǎo)航星座，可以實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш酵ㄐ畔到y(tǒng)。綜合iHCO衛(wèi)星數(shù)量和調(diào)整過(guò)赤道時(shí)間的星座優(yōu)化研究表明，iHCO通信衛(wèi)星可以優(yōu)化星座空間布局。適當(dāng)調(diào)整iHCO衛(wèi)星過(guò)赤道時(shí)間差后，系統(tǒng)定位精度可以滿足一般導(dǎo)航用戶的需要。該項(xiàng)研究可以為全球?qū)Ш叫亲O(shè)計(jì)提供參考。

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A Study of the Optimization of CAPS Constellations of iHCO Communication Satellites

Lin Rongchao1，2，3，Ma Lihua2，Ai Guoxiang2，Liu Chengzhi1，Xu Xiaojun2，3
(1.Changchun Satellite Observation Station，National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130117，China；2.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，Email:mlh＠nao.cas.cn；3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

The Chinese Area Positioning System(CAPS)is a navigation system based on communication satellites.The system can provide world-wide navigation and communication services by using iHCO(inclined Highly Circular Orbit)communication satellites，which are previous GEO(Geostationary Earth Orbit) communication satellites reset to altitudes of about 200 kilometers above the GEO for new use after their planned communication services.This paper presents a study of CAPS navigation constellations of iHCO satellites.Our study yields the most optimized CAPS navigation constellation to meet the needs of ordinary navigation-service users.

Chinese Area Positioning System(CAPS)；Geostationary Earth Orbit(GEO)；Inclined Highly Circular Orbit(iHCO)；Navigation constellation

V448.2

A

1672－7673(2014)03－0230－09

2013－09－11；

2013－09－26

林榮超，男，碩士研究生.研究方向:導(dǎo)航星座優(yōu)化.Email:woshilrc＠aliyun.com

馬利華，男，研究員.研究方向:星座優(yōu)化、高精度導(dǎo)航與應(yīng)用天文學(xué).Email:mlh＠nao.cas.cn