197其他資源compass衛(wèi)星可見性研究

1、導(dǎo)航系統(tǒng)COMPASS可見性研究教學(xué)案例九1引文導(dǎo)航系統(tǒng)(BD-2 Navigation Satellite System ，以下“北斗二號(hào)”BD-2)是正在實(shí)施的發(fā)展運(yùn)行、并且能與其他的導(dǎo)航系統(tǒng)兼容。隨著我國(guó)北共用的全球?qū)Ш较到y(tǒng)。它能夠全天候?yàn)槿蛴脩籼峁?dǎo)航斗導(dǎo)航系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展，我國(guó)的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第二代。由原先的主動(dòng)式測(cè)距轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的式測(cè)距，我國(guó)的導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。目前，我國(guó)正在努力建設(shè)的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，該系統(tǒng)將覆蓋亞太地區(qū)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力，該系統(tǒng)將為我國(guó)建設(shè)全球?qū)Ш较到y(tǒng)做一個(gè)很鋪墊。到底我國(guó)的 BD-2 系統(tǒng)星座全部布滿，對(duì)于用戶的可見性以及全球的

2、覆蓋性到底是什么樣子呢，由于 BD-2 系統(tǒng)目前尚未完全建成且星歷文件對(duì)普通用戶。我們無法獲得 BD-2 精密軌道數(shù)據(jù)；但是可以根據(jù)官方網(wǎng)站發(fā)布的軌道數(shù)據(jù)模擬析平臺(tái) Satellite Tool Kit(以下并分析了 BD-2 系統(tǒng)的星座設(shè)計(jì)、的星座。本文將借助國(guó)際著名的分，STK)對(duì) BD-2 系統(tǒng)的星座進(jìn)行模擬可見性、定位精度等多種指標(biāo)。2正文2.1 STK 的主要功能STK 是由商業(yè)分析。STKAnalytical Graphics(AGI)公司開發(fā)的應(yīng)用于航天工業(yè)的起初用于軌道和姿態(tài)分析，后來不斷升級(jí)，其應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大到導(dǎo)航防御、雷達(dá)任務(wù)提供最佳的解決方案。對(duì)抗等諸多領(lǐng)域，可以為陸、海

3、、空、天等其強(qiáng)大的功能主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：(1)強(qiáng)大的分析和計(jì)算能力。STK 提供多種分析和數(shù)值模型，可以快速而準(zhǔn)確地在各種坐標(biāo)系類型和系統(tǒng)中計(jì)算的位置和姿態(tài)，評(píng)估航天器與太空、陸地、海洋和天空的目標(biāo)之間的相互，計(jì)算傳感器的覆蓋區(qū)域。(2) 完善的圖形支持和展示能力。計(jì)算出來的各種分析結(jié)果可以通過不同類型的地圖顯示出來。尤其是STK 強(qiáng)大的二維地圖分析功能，地球上每一點(diǎn)都可以通過二維地圖功能生成位置數(shù)據(jù)以及其可見性和覆蓋性等各種數(shù)據(jù)。(3) 詳盡的分析報(bào)告。用戶可以為一個(gè)或一組對(duì)象制定圖表和報(bào)告來表述關(guān)鍵 。STK 提供全面的、直觀的圖表和文字報(bào)告，總結(jié)了用戶所需要的重要信息。所有報(bào)告均以

4、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)出到流行的表格中。2.2 BD-2 星座的世界上主要的全球?qū)Ш较到y(tǒng)均采用 Walker 星座布局，其特點(diǎn)是所有衛(wèi)星的軌道都是近似圓軌道，且所有軌道周期和軌道傾角都是相同的。各個(gè)軌導(dǎo)航系統(tǒng)道平面均勻的分布在空間內(nèi)，軌道平面內(nèi)的也是等間距分布，相鄰軌道平面內(nèi)的具有一致的相位差導(dǎo)航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)相比，對(duì)星座有著不同的要求，其中最明顯的就是多重覆蓋。例如對(duì)于 GPS 系統(tǒng)來說，如果要解算出用戶的位置，就必須要求用戶在同一時(shí)刻至少看到 4 顆于地面用戶來說至少要 4 重覆蓋。所以GPS 星座對(duì)用戶可以使用STK數(shù)據(jù)庫(kù)或Walker 星座工具快速建立星座。從中國(guó)斗導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的北斗

5、導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告 2.0 版可知北導(dǎo)航系統(tǒng)的星座設(shè)置： 由 5 顆對(duì)地靜止軌道(Geostationary EarthOrbit，GEO)，27 顆中高度軌道 (Medium Earth Orbit，MEO)和 3 顆傾分別定點(diǎn)斜同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)于東經(jīng) 58.75°、80°、110.5°、140°、160°；MEO。其中 GEO軌道高度 21500km，軌道傾角55°，均勻分布在 3 個(gè)軌道平面上；IGSO軌道傾角為 55°，3 顆IGSO軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為

6、東經(jīng) 118 度，相位差 120 度。由于 BD-2 采用的是 5GEO+27MEO+3IGSO 的星座方案，采用 STK對(duì)星座進(jìn)行建模。首先，啟動(dòng) STK，創(chuàng)建一個(gè)新場(chǎng)景，命名為 BD-2，通過對(duì)象向?qū)?，可以分別添加 GEO、IGSO 和MEO 三種軌道。各種參數(shù)設(shè)計(jì)算的精度置均按前面給出的數(shù)據(jù)設(shè)置，點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕。為了保證軌道在計(jì)算模型中選取地球引力場(chǎng)模型、大氣阻力模型和太陽(yáng)光壓模型，并采用高階Runge-Kutta-Fehlberg 算法求解示：BD-2 系統(tǒng)的星座分布三維視圖，方程。建模結(jié)果分別如圖 1 和圖 2 所軌跡二維投影圖。 GEOMEO IGSO圖 1 BD-2 系統(tǒng)三維和二維

7、視圖按下按鈕，可以直觀形象的觀察到的過程。每顆都有自帶的屬性按鈕，可以隨時(shí)改變系統(tǒng)等屬性。的軌道參數(shù)、軌道模型、時(shí)間和坐標(biāo)上述環(huán)境構(gòu)建好以后，開始 BD-2分析。的位置是導(dǎo)航用戶所需要的重要，利用STK 提供的工具，可模擬任意時(shí)刻任何的位置，并以報(bào)告的形式輸出。的位置可用多種坐標(biāo)系下來表示。因此，任意時(shí)刻任意的軌道都能實(shí)時(shí)的獲取。此外，用戶還可以自定義文件格式文件頭、文件內(nèi)容，例如，基于上述建立的與用戶文件格式的兼容性。環(huán)境，選擇 MEO11 模擬其位置和速度，并以文本的形式輸出，歷元初始時(shí)刻為 2012 年 7 月 1 日 12:00:00.000。限于篇幅，本文僅列出模擬時(shí)間段內(nèi)前 5 個(gè)

8、歷元(歷元間隔為 60s)。表 1 MEO11在J2000 坐標(biāo)系的坐標(biāo)及速度UTCG/時(shí)刻X(km)Y(km)Z(km)VX/ (km·s-1)VY/(km·s-1)VZ/ (km·s-1)1 Jul 20125764.19-21380.1736-16283.74131.48183-1.20572.20017導(dǎo)航系統(tǒng)同理，也可以模擬其他、其他時(shí)間段的位置，若將所有進(jìn)行，即可生成類似于 GPS 廣播星歷或精密星歷文件。事實(shí)上，的軌道還可通過 File 目錄下的 Export Data File 選項(xiàng)直接生成星歷文件。2.3結(jié)果分析為了分析導(dǎo)航定位的精度，預(yù)先估計(jì)出

9、相對(duì)于某一地面站的進(jìn)出場(chǎng)時(shí)捕獲具有重要的意義。假設(shè)給間、可見數(shù)目等運(yùn)行狀況，合理開展相關(guān)定某一地面站 BJ，其位置屬性為經(jīng)度 116.388°，緯度 39.906°，高度 0km。分析其在時(shí)段內(nèi)的跟蹤狀況。(1)位置單顆跟蹤分析。首先在當(dāng)前場(chǎng)景中新建一個(gè)地面站，取名為 BJ，將輸入到該地面站的屬性里。利用STK 提供的 Access Tool 分析工具，選擇要建立的對(duì)象。假設(shè)以 MEO11(即表示第一軌道平面上的某一顆衛(wèi)星)為例，時(shí)段設(shè)定為 2012 年 7 月 1 日 12:00 到 2012 年 7 月 2 日 12:00，時(shí)間跨度為 24h。在報(bào)告欄選擇 Access

10、 即可獲得 BJ 站跟蹤 MEO11息，如表 2 所示。的時(shí)段信表 2時(shí)段內(nèi) BJ 站跟蹤 MEO11的時(shí)段表 2 中，Access 對(duì)應(yīng)為 BJ 站和 MEO11 這條鏈路，表示在時(shí)段內(nèi)MEO11只經(jīng)過 BJ 站上空一次，起始時(shí)刻為第二天 01:26:18.000，截止到08:37:20.028，歷時(shí) 25861.428s。此外，STK 還可以生成各種類型的文字報(bào)告和圖表，例如在 Graphs 一欄中選擇 ARE 模式可計(jì)算出逐歷元的高度角、方位角和幾何距離隨時(shí)間變化的曲線，并以圖表的方式給出，如圖 3 所示AccessStart Time(UTCG)Stop Time(UTCG)Durat

11、ion/sBJ-To-MEO112 Jul 2012 01:26:18.6002 Jul 2012 08:37:20.02825861.42812:00:00.0003080091757021 Jul 201212:01:00.0005852.642293-21452.372691-16151.1698051.466467-1.2008332.2188541 Jul 201212:02:00.0005940.168507-21524.269447-16017.4818241.451068-1.1956922.2373881 Jul 201212:03:00.0006026.769899-215

12、95.851672-15882.6862221.435640-1.1903482.2557741 Jul 201212:04:00.0006112.444798-21667.107160-15746.7919361.420186-1.1848012.274010導(dǎo)航系統(tǒng)圖 3方位角、高度角、幾何距離隨時(shí)間變化的曲線(2) 整個(gè)星座的跟蹤分析。新建一條鏈路，將地面站和 BD-2 整個(gè)星座作為兩個(gè)對(duì)象添加到鏈路當(dāng)中，就可以分析 BD-2 星座進(jìn)出 BJ 站的時(shí)刻以及經(jīng)過的時(shí)間。的高度角設(shè)為 10°，點(diǎn)擊鏈路的 Chain Tools，生成進(jìn)出場(chǎng)的 Graphs。如圖 4 所示。可以看出，

13、大部分 MEO星的周期為 12h52min，而 GEO時(shí)間可以看見。在一天內(nèi)出現(xiàn)了 2 次，這也符合 BD-2 衛(wèi)全天都可以看見，IGSO全天有約 75%對(duì)所有的 BD-2 Accesses，即可生成進(jìn)行跟蹤分析的高度角設(shè)為 10°，點(diǎn)擊 Number of可見數(shù)目的 Graphs。如圖 5 所示，在時(shí)間段內(nèi)，BJ站上空中 BD-2最少數(shù)目為 12 顆，最多達(dá)到 18 顆，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)航定位的衛(wèi)星數(shù)目的基本要求。此外，在進(jìn)行可見性分析時(shí)，還可以給具體的對(duì)象加一些約束條件，在定義星座可見性約束時(shí)，可以任意改變高度角的大小，也可以改變最小觀測(cè)數(shù)目，有任意、全部、“至少 N 個(gè)”等條件約束的

14、可見性也可以反映在圖形窗口中，從三維圖形中，可以看到在軌道上的運(yùn)行狀態(tài)，從二維圖形窗口中可以形象的看到的運(yùn)行軌跡在地面上的投影，可見部分可以用不同的顏色來表示。當(dāng)對(duì)地面站可見時(shí)，和地面站之間會(huì)有直線連接，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到不可見區(qū)域時(shí)，直線消失。通過二維和三維圖形可以直觀形象地描述地面站對(duì) BD-2 星座的可見情況。導(dǎo)航系統(tǒng)圖 4 進(jìn)出場(chǎng)(BJ 地面站)時(shí)間圖 5 可見數(shù)(3)覆蓋性分析利用STK 提供的覆蓋分析功能和覆蓋品質(zhì)因數(shù)，可以對(duì)單個(gè)或者整個(gè)星座進(jìn)行區(qū)域或者全球的覆蓋分析。通過計(jì)算覆蓋品質(zhì)因數(shù)，評(píng)估系統(tǒng)的覆蓋性能，充分考慮各種對(duì)象的約束。對(duì)于大多數(shù)用戶而言，最關(guān)心的是一導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差和所

15、測(cè)在空間的幾何分布。定位精度的公式如下式表示Accuracy = UERE DOP(1)其中，Accuracy 表示定位精度，UERE 為等效距離誤差，DOP 為精度因子， 其數(shù)值越小，定位精度越高。等效距離誤差包含多徑誤差、鐘差、電離層延遲和對(duì)流層延遲等各種影響定位精度的因素。精度因子反映的是的空間幾何分布情況，它是星座的設(shè)置以及軌道、參數(shù)的一個(gè)函數(shù)。包含有水平位置精度因子HDOP、高程幾何精度因子 VDOP、三維位置的幾何精度因子、時(shí)鐘幾何精度因子TDOP 和總幾何精度因子 GDOP，利用以上各項(xiàng)精度因子，便可以從不同方面對(duì)定位精度做出評(píng)價(jià)。在這里，本文給出了 GDOP 和HDOP 值。G

16、DOP 值反映的是用戶三導(dǎo)航系統(tǒng)維位置和時(shí)鐘鐘差的綜合影響，HDOP 值表示的是在水平位置的影響。對(duì)于 BJ地面站，計(jì)算時(shí)段內(nèi)的 GDOP 和HDOP 值，并生成了其隨時(shí)間變化的曲線，如圖 6 和圖 7 所示。GDOP隨時(shí)間的變化July 2012 12 00 00 001 July 2012 19 00 00 002 July 2012 02 00 00 002 July 2012 09 00 00 00Time(UTCG)圖 6 GDOP 在時(shí)段內(nèi)的變化曲線HDOP隨時(shí)間的變化0 800 740 680 620 561 July 2012 12 00 00 001 July 2012 19

17、 00 00 002 July 2012 02 00 00 002 July 2012 09 00 00 00Time(UTCG)圖 7 HDOP 在時(shí)段內(nèi)的變化曲線此外，STK 可以對(duì)全球范圍內(nèi)進(jìn)行覆蓋分析，觀察 DOP 值隨地理位置的變化情況?？臻g分辨率取 1°×1°，分析其實(shí)度因子GDOP 值的變化，如圖 8 和圖 9 所示GDOP隨緯度的變化歷元時(shí)刻對(duì)應(yīng)不同經(jīng)緯度的幾何精1.65Max1.561.47Ave1.381.29Min1.201.11-32 0000Latitude(°)32.000圖 8 GDOP 值隨緯度的變化導(dǎo)航系統(tǒng)GDOP隨經(jīng)度

18、的變化1 651 561 471 38Min1 29Ave1 20Max1 11090 000180 000270 000360 000圖 9 GDOP 值隨經(jīng)度的變化從圖中可以看出，在全球范圍內(nèi) BD-2 系統(tǒng)的 GDOP 值均在 1.7 以內(nèi)?？傮w上曲線起伏較小，從一定程度上說明了 BD-2 具有良連續(xù)性和可見性 。GDOP 值隨緯度有較明顯的變化。在中緯度地區(qū)的 GDOP 值最小且比較。在經(jīng)度范圍內(nèi)東半?yún)^(qū)比西半?yún)^(qū)的 GDOP 值小。這都是由于 BD-2了 5 顆GEO+3顆 IGSO 增強(qiáng)區(qū)域?qū)Ш叫阅艿?，故我?guó)及周邊地區(qū)時(shí)時(shí)刻刻都有空間分布良可以觀測(cè)，能滿足更高精度導(dǎo)航定位的需求。因此，上述分析說明了 BD-2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在全球范圍內(nèi)具有良覆蓋品質(zhì)，同時(shí)也能為用戶提供高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)，是一種在全球