“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仿真與全球覆蓋分析*

王爾申，岳孝東，何 赫，曲萍萍

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仿真與全球覆蓋分析*

王爾申**a，b，岳孝東a，何 赫c，曲萍萍a

（沈陽航空航天大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院；b.遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.圖書館，沈陽 110136）

為了解“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的星座分布及其正式運(yùn)行后衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)的覆蓋情況，依據(jù)BDS衛(wèi)星軌道參數(shù)，使用衛(wèi)星工具包（STK）構(gòu)建了完整的BDS空間星座，對(duì)BDS衛(wèi)星軌道信息、可見性以及對(duì)地覆蓋品質(zhì)進(jìn)行分析。在對(duì)可見性及覆蓋品質(zhì)的分析中，分別仿真分析了在4個(gè)不同的城市和全球范圍進(jìn)行觀測(cè)得到的幾何精度因子（GDOP）和導(dǎo)航精度等參數(shù)性能。研究結(jié)果對(duì)分析BDS系統(tǒng)的服務(wù)性能以及提高BDS的導(dǎo)航精度有一定的參考意義。

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；全球覆蓋；幾何精度因子；導(dǎo)航精度；仿真分析

本文利用STK全面的數(shù)據(jù)分析及圖形處理功能對(duì)BDS進(jìn)行分析：首先，根據(jù)BDS星座分布及衛(wèi)星軌道信息，在STK中構(gòu)建完整的BDS模型；然后，對(duì)單一衛(wèi)星分析在慣性坐標(biāo)系下的位置、速度、方位角、高度角以及幾何距離；最后，對(duì)不同觀測(cè)站和全球范圍BDS的可見衛(wèi)星數(shù)、幾何精度因子以及導(dǎo)航精度進(jìn)行詳細(xì)分析。

2　BDS星座仿真

BDS星座由5顆地球靜止同步軌道衛(wèi)星（Geostationary Earth Orbit，GEO）、27顆中地球軌道衛(wèi)星（Medium Earth Orbit，MEO）和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（Inclined Geo-synchronization Satellite Orbit，IGSO）組成。GEO衛(wèi)星軌道高度35 786 km。在STK中構(gòu)建仿真環(huán)境，基于開普勒參數(shù)對(duì)BDS星座中的衛(wèi)星軌道進(jìn)行描述。STK的仿真場景提供了高精度地球引力勢(shì)、大氣阻力以及太陽光壓模型。設(shè)定仿真時(shí)間為2015年5月19日04：00～2015年5月20日04：00，使用Walker星座生成BDS的仿真星座。BDS星座衛(wèi)星的星下點(diǎn)運(yùn)行軌跡中3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星星下點(diǎn)軌道為“8”字形，在對(duì)中國大陸區(qū)域增強(qiáng)覆蓋的同時(shí)也可以克服高緯度地區(qū)始終是低仰角的問題，27顆MEO在3個(gè)中軌道上運(yùn)行覆蓋全球。BDS星座布局相較于其他三大導(dǎo)航系統(tǒng)有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)——整個(gè)星座中不同軌道衛(wèi)星布局合理完善，GEO及IGSO的非均勻星座設(shè)計(jì)概念使得BDS除了為中國及周邊地區(qū)提供區(qū)域增強(qiáng)的服務(wù)外，還使得BDS繼承了“北斗”一代的位置報(bào)告及短報(bào)文等特色服務(wù)。

3　BDS衛(wèi)星軌道仿真

描述衛(wèi)星的軌道信息可以使用三維坐標(biāo)或者是軌道根數(shù)。這里使用STK以協(xié)議地心慣性坐標(biāo)系J2000坐標(biāo)系對(duì)衛(wèi)星位置進(jìn)行表述。本文創(chuàng)建的BDS星座模型仿真起始協(xié)調(diào)世界時(shí)（Coordinated U-niversal Time，UTC）時(shí)間為2015年5月19日04時(shí)，結(jié)束時(shí)間為2015年5月20日04時(shí)，限于篇幅，表1列出了仿真時(shí)間內(nèi)前12個(gè)歷元（歷元間隔300 s）下MEO133衛(wèi)星（BDS星座中第三軌道面第三顆中軌道衛(wèi)星）在J2000慣性坐標(biāo)系下的位置及速度信息。

表1　仿真時(shí)間內(nèi)MEO133衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)及速度Tab.1　Coordinates and velocity of satellite MEO133 based on J2000 coordinate system in simulation time

STK中內(nèi)置有各種攝動(dòng)量模型，本文仿真中考慮了地球非對(duì)稱引力、其他天體引力、大氣阻力、光壓以及章動(dòng)等攝動(dòng)量。根據(jù)表1中獲取的位置速度矢量信息可以推算衛(wèi)星在某一時(shí)間的瞬時(shí)位置及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。本文生成了單一衛(wèi)星某一時(shí)間段的位置信息，同理，可對(duì)星座中其他衛(wèi)星進(jìn)行仿真。

3.1單顆衛(wèi)星的可見性分析

利用STK工具對(duì)BDS單顆衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤仿真分析。給定地面站Beijing_Station，其位置為經(jīng)度116°、緯度40°、高度0.038 km。仿真開始時(shí)間是2015年05月19日04時(shí)，時(shí)間為24 h。STK可以預(yù)定義AER報(bào)告，計(jì)算每個(gè)歷元衛(wèi)星的方位角、高度角、幾何距離并以不同的形式輸出。

3.2星座的可見性分析

本文選取截至高度角為5°條件下，BDS星座衛(wèi)星在Beijing、Kunming、Ohr、Washington空域的進(jìn)出場時(shí)間。在利用STK對(duì)星座可見性仿真結(jié)果分析中，除了5顆GEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星持續(xù)可見外，其余衛(wèi)星大部分在跟蹤時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)1～2次，這與BDS衛(wèi)星約12.9 h的周期相符。在仿真中STK分別以報(bào)表和報(bào)文的形式輸出仿真結(jié)果，統(tǒng)計(jì)在某一時(shí)刻可視空域內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)及編號(hào)。限于篇幅，只給出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2。

表2　BDS在各城市可見衛(wèi)星數(shù)的統(tǒng)計(jì)Tab.2　Statistics of visible BDS satellites number in different cities

4　BDS衛(wèi)星覆蓋分析

導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星的空間幾何分布通常采用DOP值對(duì)定位精度進(jìn)行描述。

本文首先對(duì)Beijing（40°N，116°E）、Kunming（25°N，103°E）、Ohr（52°N，9°E）、Washington（39°N，77°W）4個(gè)觀測(cè)站的GDOP值以及導(dǎo)航精度進(jìn)行仿真分析。這4個(gè)城市分布在東西半球，緯度高低各不相同；同時(shí)，Beijing、Kuming是國內(nèi)緯度跨度較大的兩個(gè)城市，Ohr、Washington是國外經(jīng)度跨度較大的兩個(gè)城市，有助于BDS在國內(nèi)外不同區(qū)域性能參數(shù)分析。同時(shí)，為分析BDS的全球性能，本文依據(jù)經(jīng)緯度對(duì)BDS的全球幾何精度因子以及導(dǎo)航精度進(jìn)行了分析。

4.1不同地區(qū)城市的GDOP值分析

位于全球不同地區(qū)4個(gè)城市中的觀測(cè)站對(duì)GDOP進(jìn)行分析，對(duì)各城市的GDOP在仿真時(shí)間內(nèi)的取值情況（在仿真時(shí)間24 h內(nèi)每60 s取樣一次）進(jìn)行分析，如表3所列，各城市的GDOP最大值沒有超過等級(jí)評(píng)價(jià)為優(yōu)的最高臨界值3。

表3　各城市GDOP值分布統(tǒng)計(jì)Tab.3　Statistics of GDOP distribution in different cities

4.2不同城市的導(dǎo)航精度分析

4個(gè)城市導(dǎo)航精度的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（在仿真時(shí)間24 h內(nèi)每60 s取樣一次）結(jié)果見表4。從表4可以看出，BDS導(dǎo)航精度能夠達(dá)到10 m級(jí)。中國地區(qū)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)優(yōu)于其他地區(qū)，導(dǎo)航精度可以穩(wěn)定在8 m左右。境外的兩個(gè)城市的結(jié)果是導(dǎo)航精度隨時(shí)間的變化跳躍性較大，最高精度為6.0 m，最低精度為17.8 m。

表4　不同城市導(dǎo)航精度值統(tǒng)計(jì)Tab.4　Navigation accuracy for different cities

4.3全球范圍內(nèi)BDS的GDOP分析

依據(jù)經(jīng)緯度劃分網(wǎng)格進(jìn)行取樣，本文按照經(jīng)緯度每1°×1°選取一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行分析得出仿真時(shí)間內(nèi)不同經(jīng)緯度上幾何精度因子。統(tǒng)計(jì)每個(gè)經(jīng)度下的GDOP最大值、最小值和平均值共計(jì)1 080個(gè)樣本值，如表5所列。統(tǒng)計(jì)每個(gè)緯度下GDOP最大值、最小值和平均值共543個(gè)樣本值，如表6所列。

表5　GDOP隨經(jīng)度變化統(tǒng)計(jì)Tab.5　Statistics of GDOP varying with longitude

表6　GDOP隨緯度變化統(tǒng)計(jì)Tab.6　Statistics of GDOP varying with latitude

4.4全球范圍內(nèi)BDS的導(dǎo)航精度分析

在全球范圍內(nèi)依據(jù)經(jīng)緯度劃分網(wǎng)格進(jìn)行取樣，每1°×1°選取一個(gè)采樣點(diǎn)，得出仿真時(shí)間內(nèi)不同經(jīng)緯度上導(dǎo)航精度的變化。統(tǒng)計(jì)每個(gè)經(jīng)度下的導(dǎo)航精度最大值、最小值和平均值共計(jì)1 080個(gè)樣本值，如表7所列。統(tǒng)計(jì)每個(gè)緯度下導(dǎo)航精度最大值、最小值和平均值共543個(gè)樣本值，如表8所列。

表7　導(dǎo)航精度隨經(jīng)度變化統(tǒng)計(jì)Tab.7　Statistics of global navigation accuracy varying with longitude

表8　導(dǎo)航精度隨緯度變化統(tǒng)計(jì)Tab.8　Statistics of global navigation accuracy varying with latitude

5　結(jié)束語

本文通過STK軟件的仿真與數(shù)據(jù)分析功能對(duì)BDS星座進(jìn)行建模，分析了位于不同地區(qū)的地面站和全球區(qū)域?qū)缀畏植技皩?dǎo)航精度的影響，得到以下結(jié)論：BDS在中國境內(nèi)的可見衛(wèi)星數(shù)、幾何分布及導(dǎo)航精度優(yōu)于境外，符合BDS的星座分布；BDS可以為全球提供較為穩(wěn)定的導(dǎo)航服務(wù)，與其他三大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)競爭還需提高境外的導(dǎo)航精度，可以考慮通過星基、陸基增強(qiáng)系統(tǒng)提高系統(tǒng)的性能。本文的研究對(duì)更好地掌握BDS系統(tǒng)性能和提升BDS的全球服務(wù)性能具有重要的意義。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究和分析。

［1］ 王爾申，張述杰，雷虹，等.“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)和無線電臺(tái)在無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電訊技術(shù)，2013，53（7）：831-834.

WANG Ershen，ZHANG Shujie，LEI Hong，et al.Application of Beidou satellite navigation system and data transceiver in UAV monitoring system［J］.Telecommunication Engineering，2013，53（7）：831-834.（in Chinese）

［2］ 周李春.基于STK的偵察衛(wèi)星系統(tǒng)效能仿真［J］.電訊技術(shù)，2012，52（4）：595-599.

ZHOU Lichun.Efficiency simulation of reconnaissance satellite system based on STK［J］.Telecommunication Engineering，2012，52（4）：595-599.（in Chinese）

［3］ 張海忠，劉雪瑞，蓋鵬飛，等.基于STK的“北斗”區(qū)域系統(tǒng)GDOP仿真分析［J］.海洋測(cè)繪，2013，33（5）：31-33.

ZHANG Haizhong，LIU Xuerui，GAI Pengfei，et al.GDOP simulation and analysis of BDS regional system［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2013，33（5）：31-33.（in Chinese）

［4］ 雷浩，廉保旺，何偉，等.STK“北斗”二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在亞太地區(qū)DOP值仿真分析［J］.火力與指揮控制，2014，39（6）：52-55.

LEI Hao，LIAN Baowang，HE Wei，et al.Analysis of DOP for Beidou navigation system in asia-pacific regions based on STK［J］.Fire Control&Command Control，2014，39（6）：52-55.（in Chinese）

［5］ 許建利，王俊峰，董偉.“北斗”Ⅱ衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座仿真分析研究［J］.計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)，2012，33（10）：3913-3917.

XU Jianli，WANG Junfeng，DONG Wei.Research on analysis and simulation of BeidouⅡnavigation system constellation［J］.Computer Engineering and Design，2012，33（10）：3913-3917.（in Chinese）

［6］ 郭斐，張小紅，于興旺，等.基于STK軟件的GALILEO系統(tǒng)仿真與分析［J］.測(cè)繪信息與工程，2009，34（1）：3-6.

GUO Fei，ZHANG Xiaohong，YU Xingwang，et al.Simulation and analysis of Galileo system using STK software［J］.Journal of Geomatics，2009，34（1）：3-6.（in Chinese）

［7］ 王小靜，王俊文.基于STK的GPS衛(wèi)星可見性仿真分析［J］.航天電子對(duì)抗，2014，30（5）：16-19. WANG Xiaojing，WANG Junwen.Analysis of visibility simulation of GPS satellite based on STK［J］.Aerospace Electronic Warfare，2014，30（5）：16-19.（in Chinese）

王爾申（1980—），男，遼寧遼陽人，2009年于大連海事大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航、接收機(jī)信號(hào)處理算法研究；

WANG Ershen was born in Liaoyang，Liaoning Province，in 1980.He received the Ph.D. degree from Dalian Maritime University in 2009. He is now an associate professor.His research concerns satellite navigation and receiver signal processing.

Email：wanges_2016@126.com

岳孝東（1990—），男，山東淄博人，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航算法研究；

YUE Xiaodong was born in Zibo，Shandong Province，in 1990.He is now a graduate student.His research concerns satellite navigation algorithm.

何 赫（1982—），女，碩士，主要研究方向?yàn)樾畔⑴c數(shù)據(jù)處理；

HE He was born in 1982.She is with the M.S.degree.Her research concerns information and data processing.

曲萍萍（1979—），女，博士，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航制導(dǎo)。

QU Pingping was born in 1979.She is with the Ph.D.degree.Her research concerns navigation guide.

Simulation and Global Coverage Analysis of Beidou Navigation Satellite System

WANG Ershena，b，YUE Xiaodonga，HE Hec，QU Pingpinga
（a.School of Electronic and Information Engineering；b.Liaoning General Aviation Key Laboratory；c.Library，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

To learn constellation distribution and satellites global coverage after formal operation of Beidou navigation satellite system（BDS），this paper simulates the complete constellation of BDS by Satellite Tool Kit（STK）with the published information of BDS satellite orbit parameters.The orbital parameters，access and coverage of satellites are analyzed based on the simulated constellation of BDS.The performance of geometric dilution of precision（GDOP）and navigation accuracy in four different stations and global area are simulated.The results of this study have a certain reference value for analyzing the service performance and improving BDS navigation accuracy.

Beidou navigation satellite system（BDS）；global coverage；geometric dilution of precision；navigation accuracy；simulation analysis

1　引 言

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）區(qū)域?qū)Ш椒?wù)能力于2012年底正式提供，系統(tǒng)計(jì)劃2020年全面建成，屆時(shí)可為全球用戶提供定位、測(cè)速、授時(shí)等服務(wù)［1］。為了解BDS的星座分布及全球范圍內(nèi)的可見性，對(duì)BDS進(jìn)行仿真是必要的。使用STK對(duì)BDS進(jìn)行研究主要是對(duì)“北斗”區(qū)域系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析［2］。文獻(xiàn)［3］統(tǒng)計(jì)了“北斗”區(qū)域星座在全球范圍內(nèi)的幾何精度因子（Geometric Dilution of Precision，GDOP）值，驗(yàn)證了“北斗”星座足以全天候滿足我國全境范圍內(nèi)用戶定位導(dǎo)航需求。文獻(xiàn)［4］分析了BDS在亞太地區(qū)的精度因子（Dilution of Precision，DOP），驗(yàn)證了BDS在亞太地區(qū)的可用性。文獻(xiàn)［5］對(duì)所選區(qū)域的GDOP值和可見衛(wèi)星數(shù)隨緯度變化值進(jìn)行了仿真計(jì)算，驗(yàn)證了區(qū)域范圍內(nèi)BDS相對(duì)于全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［6］就中國境內(nèi)的可見衛(wèi)星數(shù)及空間分布進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［7］對(duì)不同最低仰角下“北斗”二代導(dǎo)航星座及GPS星座多星覆蓋變化進(jìn)行了分析。但上述研究并未涉及BDS星座對(duì)全球地區(qū)的覆蓋及導(dǎo)航性能差異方面的內(nèi)容。為此，本文分析了BDS衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)以及區(qū)域內(nèi)的星座覆蓋及導(dǎo)航精度。

The National Natural Science Foundation of China（No.61571309，61101161）；The Aeronautical Science Foundation of China（2011ZC54010）；The Natural Science Joint Foundation of Liaoning Province（No.2013024003）

**通信作者:wanges_2016@126.com wanges_2016@126.com

TN967.1

A

1001-893X（2016）08-0919-04

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.08.015

2016-01-29；

2016-03-15

date:2016-01-29；Revised date:2016-03-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61571309，61101161）；航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2011ZC54010）；遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（2013024003）

引用格式:王爾申，岳孝東，何赫，等.“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仿真與全球覆蓋分析［J］.電訊技術(shù)，2016，56（8）：919-922.［WANG Ershen，YUE Xiaodong，HE He，et al.Simulation and global coverage analysis of Beidou navigation satellite system［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（8）：919-922.］