全球廣義定位報(bào)告系統(tǒng)星座配置分析

● 文| 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 薛峰 任暉 汪淼

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全球廣義定位報(bào)告系統(tǒng)星座配置分析

● 文| 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 薛峰 任暉 汪淼

摘要：隨著我國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，全球范圍內(nèi)定位報(bào)告、短報(bào)文通信的需求進(jìn)一步擴(kuò)大。本文針對(duì)全球廣義定位報(bào)告系統(tǒng)星座設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)不同軌道平面、衛(wèi)星數(shù)量信號(hào)覆蓋情況進(jìn)行仿真，進(jìn)而得出相關(guān)結(jié)論。結(jié)果表明，廣義定位報(bào)告系統(tǒng)采用3顆靜止軌道衛(wèi)星、3顆傾斜軌道衛(wèi)星和24顆合理配置的中圓軌道衛(wèi)星，可以在全球范圍內(nèi)提供45°以上仰角的位置報(bào)告服務(wù)，可用性接近99%。

關(guān)鍵詞：廣義定位報(bào)告系統(tǒng) 觀測(cè)仰角 星座配置

一、概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）是真正意義上的導(dǎo)航定位報(bào)告系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用衛(wèi)星無線電導(dǎo)航定位報(bào)告體制（Radio Determination Satellite System，RDSS），即基于衛(wèi)星無線電測(cè)量實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星無線電導(dǎo)航、定位報(bào)告和短報(bào)文通信等業(yè)務(wù)。與“GPS定位＋銥星全球移動(dòng)通信”相比，具有性價(jià)比高，位置報(bào)告簡(jiǎn)單、自主、安全、快速，雙業(yè)務(wù)融合等諸多優(yōu)勢(shì)[1]。傳統(tǒng)定位報(bào)告業(yè)務(wù)的空間段由地球靜止軌道衛(wèi)星( GEO )組成，廣義定位報(bào)告業(yè)務(wù)的空間段可以是任意衛(wèi)星，即非GEO（NGEO）組成，幾何原理均為三球交匯位置確定原理，傳統(tǒng)的定位報(bào)告業(yè)務(wù)是廣義定位報(bào)告業(yè)務(wù)的子集。

本文扼要論述了RDSS的理論基礎(chǔ)，并針對(duì)未來全球廣義定位報(bào)告業(yè)務(wù)衛(wèi)星配置方案進(jìn)行仿真分析，提出滿足45°仰角要求的配置方案。

二、 RDSS定位報(bào)告原理

1．傳統(tǒng)定位報(bào)告原理

傳統(tǒng)雙星定位報(bào)告由兩顆定位報(bào)告衛(wèi)星（RDSS）、用戶設(shè)備（UE）、中心處理系統(tǒng)（MCC）組成的閉環(huán)測(cè)量鏈路及通信信道實(shí)現(xiàn)用戶定位及位置報(bào)告[1]。雙星定位報(bào)告原理如圖1所示，兩顆衛(wèi)星均為無線電定位（RDSS）衛(wèi)星，RDSS衛(wèi)星的有效載荷為出站、入站變頻轉(zhuǎn)發(fā)器。

圖1　雙星定位報(bào)告原理

工作過程具體如下：

1）MCC以本地北斗時(shí)（BDT）同步產(chǎn)生出站詢問信號(hào)；

2）RDSS衛(wèi)星連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)MCC的問詢和測(cè)量信號(hào)；

3）UE測(cè)量?jī)深wRDSS衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)差值，在RDSS衛(wèi)星的指定時(shí)刻發(fā)射入站信號(hào)，并將時(shí)差測(cè)量值傳回MCC；

4）MCC根據(jù)用戶設(shè)備的入站信號(hào)，獲得MCC→RDSS衛(wèi)星→UE的雙向距離和兩顆RDSS衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)差值；

5）利用雙向距離完成用戶雙向定時(shí)，確定用戶鐘差；基本原理為雙向衛(wèi)星中繼無線電偽距同步，是利用GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)地球站間時(shí)間同步的方法[2]；

6）利用鐘差修正用戶觀測(cè)偽距；

7）電離層誤差直接使用格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層修正，或利用回傳的所有可見星觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算用戶對(duì)可見星的穿刺點(diǎn)，解算不同穿刺點(diǎn)的電離層延遲，進(jìn)而可內(nèi)插出用戶的電離層延遲；

8）根據(jù)地理高程庫查得UE所在點(diǎn)大地高；

9）MCC根據(jù)修正后偽距和高程值組成用戶三維位置的解算方程組，通過查圖迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)用戶定位及位置報(bào)告。

2．廣義定位報(bào)告原理

廣義定位報(bào)告系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多參考站距離測(cè)量無線電定位系統(tǒng)[2]。在傳統(tǒng)雙星定位報(bào)告的基礎(chǔ)上，增加了一顆衛(wèi)星無線電導(dǎo)航（RNSS）衛(wèi)星，通過增加一個(gè)時(shí)差觀測(cè)量增加一個(gè)方程，從而減少了依托高程庫查圖的計(jì)算流程，有效提高了定位報(bào)告的服務(wù)區(qū)范圍和實(shí)時(shí)性。

3．廣義定位報(bào)告用戶終端原理

定位報(bào)告用戶終端在本地鐘控制下實(shí)時(shí)采集所有可視導(dǎo)航衛(wèi)星的RNSS信號(hào)，從而測(cè)得各衛(wèi)星的偽距、載波相位等觀測(cè)量，同時(shí)接收和響應(yīng)定位報(bào)告衛(wèi)星的詢問信號(hào)，將測(cè)量得到的各衛(wèi)星RNSS偽距、載波相位、偏心改正等信息通過定位報(bào)告系統(tǒng)入站鏈路傳送給業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)?？赏ㄟ^出站鏈路實(shí)時(shí)接收定位結(jié)果，并在顯示屏上顯示或通過串口輸出[3]。

用戶終端主要可以劃分為天線模塊、信道模塊、基帶信號(hào)處理模塊、信息處理模塊、人機(jī)交互控制和整機(jī)結(jié)構(gòu)等幾部分，具體組成框圖如圖2所示。

三、全球廣義定位報(bào)告系統(tǒng)星座配置方案分析

目前定位報(bào)告系統(tǒng)在GEO衛(wèi)星上搭載有效載荷，僅能滿足中國(guó)及周邊地區(qū)用戶需求。要實(shí)現(xiàn)全球定位報(bào)告服務(wù)，需要增加配置RDSS載荷的衛(wèi)星數(shù)量，從目前的GEO星座向GEO+NGEO星座擴(kuò)展，即必須在移動(dòng)衛(wèi)星上加裝RDSS載荷，并利用廣義定位報(bào)告技術(shù)體制和星間鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

用戶機(jī)可以對(duì)可視范圍內(nèi)5°以上仰角的所有導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，而定位報(bào)告服務(wù)只在具備該載荷的衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)才能獲取服務(wù)，由于遮擋等原因城市區(qū)域?qū)τ^測(cè)仰角要求較高，因此需要針對(duì)不同的衛(wèi)星配置方案開展觀測(cè)仰角分析，得到最高仰角的星座配置方案。從用戶實(shí)際使用角度考慮，45°仰角基本能夠確保一般使用環(huán)境下的可視要求。

目前全球?qū)Ш较到y(tǒng)全部采用Walker星座構(gòu)型，其中GLONASS、Galileo采用Walker 24/3/1，GPS采用Walker 24/6/1，下面針對(duì)幾種不同的Walker星座配置方案開展分析。

1．Walker X/3/1星座分析

設(shè)定衛(wèi)星星座配置分別為Walker24/3/1、Walker27/3/1、Walker30/3/1和Walker33/3/1，第一軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)為0°。采用仿真軟件開展全球區(qū)域覆蓋分析，設(shè)置滿足條件為計(jì)算的最高仰角大于等于45°，星座構(gòu)成如圖3所示。

表1　不同衛(wèi)星數(shù)45°仰角滿足情況

由表1可見，27顆衛(wèi)星是Walker X/3/1星座中滿足全球服務(wù)區(qū)高仰角的最佳配置，更多和更少的Walker X/3/1衛(wèi)星構(gòu)型均無法改善衛(wèi)星觀測(cè)仰角，此時(shí)在全球服務(wù)區(qū)內(nèi)可以確保43°的觀測(cè)仰角。該方案與北斗全球系統(tǒng)北斗星座5顆GEO衛(wèi)星的軌道位置分別為58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E，3顆IGSO的傾角為55°，交叉點(diǎn)經(jīng)度為118°E[4]的方案是匹配的。

2． Walker X/4/1星座分析

Walker 24/4/1星座構(gòu)成如圖4所示。

圖4　試算RDSS業(yè)務(wù)星座構(gòu)成

由表2可見，32顆衛(wèi)星是Walker 32/4/1星座中滿足全球服務(wù)區(qū)高仰角的最佳配置。

表2　不同衛(wèi)星數(shù)45°仰角滿足情況

3． Walker X/5/1星座分析

Walker 25/5/1星座構(gòu)成如圖5所示。

Walker X/5/1星座的覆蓋性結(jié)果如表3所示。

圖5　試算RDSS業(yè)務(wù)星座構(gòu)成

表3　不同衛(wèi)星數(shù)45°仰角滿足情況

由表3可見，30顆衛(wèi)星是Walker 30/5/1星座中滿足全球服務(wù)區(qū)高仰角的最佳配置，可以100%滿足全球45°仰角觀測(cè)。

4． Walker X/6/1星座分析

Walker 24/6/1星座構(gòu)成如圖6所示。

Walker X/6/1星座的覆蓋性結(jié)果如表4所示。

表4　不同衛(wèi)星數(shù)45°仰角滿足情況

由表4可見，24顆衛(wèi)星是Walker 24/6/1星座中滿足全球服務(wù)區(qū)高仰角的最佳配置，可以98.81%滿足全球45°仰角觀測(cè)。

圖6　試算RDSS業(yè)務(wù)星座構(gòu)成

5．比較分析

通過以上不同軌道數(shù)量下計(jì)算分析，得到全球范圍24~25顆衛(wèi)星和30顆衛(wèi)星兩種衛(wèi)星數(shù)量下最小45°仰角滿足情況，如圖7、8所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表5。

圖7　服務(wù)區(qū)內(nèi)觀測(cè)仰角滿足情況

圖8　服務(wù)區(qū)內(nèi)觀測(cè)仰角滿足情況

表5　不同軌道面不同衛(wèi)星數(shù)45°仰角滿足情況

由表5可見，Walker星座軌道面越多覆蓋性越好，其中24~25顆衛(wèi)星Walker 24/6/1星座最優(yōu)，98.81%時(shí)段滿足要求；30顆衛(wèi)星Walker30/5/1星座最優(yōu)，100%時(shí)段滿足要求。

四、結(jié)束語

對(duì)于一般用戶接收設(shè)備，大于45°仰角可以放低對(duì)用戶設(shè)備天線的要求，因此，全球廣義定位報(bào)告業(yè)務(wù)可在3GEO+3IGSO+24MEO衛(wèi)星上配置定位報(bào)告載荷，利用5~6個(gè)MEO衛(wèi)星軌道平面滿足全球廣義定位報(bào)告系統(tǒng)45°仰角的觀測(cè)要求。但軌道面過多對(duì)維持星座代價(jià)較高，一般采用3個(gè)軌道面的星座構(gòu)型，此時(shí)可以滿足43°仰角的觀測(cè)要求。

本文針對(duì)全球廣義定位報(bào)告業(yè)務(wù)可能的配置方案進(jìn)行了探討，具體方案需要統(tǒng)籌各方面的要求綜合確定。

參考文獻(xiàn)

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