低轨通信卫星增强GNSS定位性能分析_周舒涵.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：周舒涵（），男，江西湖口人，导航、制导与控制专业硕士研究生，主要研究方向为低轨卫星导航增强。低轨通信卫星增强 定位性能分析周舒涵，陈明剑，景 鑫，樊礼谦，柯 晔（信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州）摘要：为探讨低轨通信卫星对全球导航卫星系统（）定位性能的增强效果，本文设计了不同轨道高度、轨道类型、低轨卫星数量的低轨卫星星座，通过这些低轨卫星与北斗卫星导航系统（）和全球定位系统（）的组合星座对全球范围内 个测站进行可见性和覆盖性分析，并对低轨卫星星座单独定位能力进行分析。结果表明，不同数量低轨卫星对 增强效果差异明显，数量越大，增强效果越明显；低轨卫星轨道低，几何运动速度快，位置精度因子（）值变化快，可有效缩短 定位收敛时间。关键词：低轨通信卫星；导航增强；精度因子；定位性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（）（），（）（），（），：；引 言全球 导 航 卫 星 系 统（，）作为一种重要的时空信息基础设施，可向全球用户提供高精度的定位、导航和授时服务。近年来，随着无人驾驶技术、人工智能以及物联网技术的蓬勃发展，人们对时间和空间信息的精度要求也越来越高。然而目前 定位技术存在初始化时间长、落地信号强度低、抗干扰性能差等不足。为了弥补这些缺陷，国内外学者提出利用低轨（，）卫星进行导航增强的设想。等探索了如何利用商业低轨通信卫星导航，研究了 卫星的几何分布、空间信号测距误差等一套完整的架构，结果表明，利用 通信卫星进行导航增强服务是完全可行的。通信卫星作为一种新兴的导航增强手段，具有一些独特的优势。卫星轨道高度较低，信号功率大，信号质量高，具有较强的抗干扰能力，可以在室内和遮蔽地区提供服务，其落地功率大约比 强度高。卫星最大的优势是运动速度快，可以使相邻观测历元之间的相关性大大减弱，实现定位快速收敛。王磊等分析了由珞珈一号科学实验卫星播发的双频测距信号的质量，结果显示，其伪距和载波相位观测量精度分别优于 和 ，可以满足导航增强的需求。卫星导航星座仿真 卫星星座仿真实验采用 组合星座作为多系统。空间星座采用混合星座，由 颗倾角为 的 卫星、颗地球静止轨道（，）卫星以及 颗地球倾斜轨道（，）卫星组成。则由 颗正常工作卫星和 颗备份卫星组成，卫星均匀分布在 个轨道面，轨道倾角为。卫星星座对于 星座的仿真，在数量上采用 星、星、星、星这 种星座方案进行导航性能增强分析。其中，星为中国航天科技集团公司设计“鸿雁”卫星星座采用的方案；星是北京未来导航科技有限公司正在开发的“微厘空间”低轨星座采用的方案；星为美国的 低轨通信星座的卫星数目。在星座构型方面，极轨道可以实现卫星全球均匀分布，且对高纬度地区具有多重覆盖优势。因此仿真实验星座采用极轨轨道。对于 星低轨星座另外采用轨道倾角为 的（）星座构型进行对比分析。在轨道高度方面，采用、种轨道高度进行覆盖性分析。低轨星座增强 性能分析 地面站点选取由于仿真实验所采用的轨道方案大多数都为极轨轨道，卫星在全球范围内分布均匀，且南北半球具有对称性，为避免研究的重复性，实验仅从北半球不同经纬度地区选择了 个站点分析不同低轨星座方案对 导航定位性能的增强情况，仿真时间从 年 月 日 时 分 秒 时 分 秒，共 ，卫星截止高度角为，采样间隔为 。对于星座定位性能的优劣通常可以用 个指标进行评价，即卫星可见数与 值。卫星可见数可以很好地反映导航星座对观测范围内的多重覆盖情况，可观测卫星越多，求解位置信息的观测方程也越多，定位结果更精确。值则可以反映空间星座几何分布情况，值越小，星座空间几何分布越合理，定位精度越高。除此之外，值的变化率也会影响精密单点定位首次定位的收敛速度。基于以上考虑，实验选用可见卫星数与 值作为定位性能评价指标。地面站点卫星可见数图 为各地面站在仿真时间内对各系统组合星座（）卫星可见情况。可以看出，在卫星可见性方面，系统通过引入不同数量的 组合星座可大大提高测站卫星可见数，并且随着 星座的构成卫星数量增加，各测站的卫星可见数也不断增加。其中，、和 方案分别对 系统增加的可见卫星数平均为、和 颗。由于本实验中 星座大多采用极轨轨道，轨道倾角较高，因此位于低纬度的 测站对于各 增强系统的可见卫星数最少，位于高纬度的 测站可见卫星数最多。通过引入 颗低轨卫星星座，测站卫星可见数只平均增加了 颗，而 测站则平均增加 颗。因此，星座可有效改善目前 系统在高纬度地区的定位精度不足的现象。对于轨道类型，对比 的 倾斜轨道星座的增强效果可以发现，倾斜轨道对各测站卫星可见增加数量较为平均，都在 颗，而极轨轨道则随纬度的增高，增加的卫星可见数也越多。在整个仿真时间内，测站对倾斜轨道的卫星可见数始终高于极轨轨道，而 测站对倾斜轨道的卫星可见数则始终低于极轨轨道。图 各测站卫星可见数 地面站点卫星 值图 为各系统星座（）对各地面站在仿真时间内覆盖性分析结果。在覆盖性分析方面，系统各测站的 值平均在 左右，通过加入、和 低轨星座组合后，各测站平均 可以下降为、和，在 测站 星座的 值甚至可以达到，对 测站降低效果则较低，值下降 测绘与空间地理信息 年为。由此可见，低轨卫星星座可有效改善 导航星座的几何分布，降低其 值。另外，虽然 系统各测站的 已经基本满足定位导航的要求，但是分析其 时间序列可以发现，值随时间变化缓慢，最短也需要 才有较小变化，而在 测站，值在 这长达 时间里基本无变化。这是由于 系统由 卫星组成，卫星运动速度小，空间几何变化慢，也解释了利用 进行精密单点定位时收敛时间较长的原因。而 系统通过引入 星座，各测站 值随时间变化剧烈，在几分钟时间里就有较大变化，因此，相邻历元观测方程中位置参数、钟差参数和模糊度参数之间的相关性大大削弱，可以在短时间内进行分离，大大提高精密单点定位收敛速度。图 各测站 值 为了说明这种 值快速变化的特性不仅仅是因为卫星颗数增多引起的，仿真实验还对 系统引入 颗 卫星在 测站进行 值时间序列分析，结果如图 所示。可以看出，通过增加了 颗 卫星，其 变化速度仍然缓慢，时长在 。因此可以说明 值快速变化是 星座的特性。对于引入不同轨道高度的 星座（颗）对测站可见性及覆盖性影响结果如图 和图 所示，显然，随着卫星轨道高度增加，卫星对地面覆盖半径增加，测站的可见卫星数也随之增加，值变小。高度的图 测站不同系统 值 星座虽然在卫星可见数和 值大小方面性能最佳，但是其卫星星座运动速度相对于 和 较小，变化速度也较小。例如 高度的 值在 时间段里变化较小。在实际设计 星座轨道高度时，兼顾卫星可见性以及空间几何分布情况等多种因素，通常采用 左右轨道高度的方案。图 测站不同轨道高度 图 测站不同轨道高度 组合星座 值 全球范围卫星可见数和 考虑到 个地面站点的观测性有限，为了更深入地分析 引入不同的低轨星座组合对不同地区的定位导航性能的增强效果，实验通过仿真计算了全球范围内的可见卫星数与 值随纬度分布情况，如图 和图 所示。从图 中可以发现：单 星座在全球范围的可见卫星数随纬度变化较小，平均在 颗左右，随着引入不同颗数的 星座，全球范围卫星可见数在南北半球呈对称分布趋势。在中低纬度带，随着 卫星颗数的增加，地区内卫星可见数增加不太明显，组合星座也仅仅只比 组合星座卫星可见数平均高出，倾斜轨道 卫星和极轨轨道的 卫星覆盖效果相当。在高纬度地区，低轨星座对 的增强效果则较为明显，卫星可见数大大增加，（极轨轨道）组合星座比 （倾斜轨道）卫星可见数平均高出 颗，这是由于极轨轨道的 卫星轨道倾角较高而产生的特性。第 期周舒涵等：低轨通信卫星增强 定位性能分析图 全球范围可见卫星数 值反映的是星座空间几何构型，因此当引入不同的 星座组合，系统卫星颗数增加，值自然会一定程度上得到减小。由图 可知，当引入 卫星颗数为 和 颗时，值下降幅度较大，平均可以下降 和，在中纬度地带甚至可以将 值从 下降为。再随着 卫星数的增加，值下降趋势较为平缓，组合星座的 值平均只比 组合星座小。这表明，当引入的 卫星颗数增多时，值一开始下降迅速，而后出现饱和，值趋于平缓。另外，对比 个不同轨道类型的组合星座在高纬度地区的各系统 值可以看出，极轨轨道 卫星对高纬度地区的 值改善较大，倾斜轨道对中低纬度地区 下降更明显，最小值都能达到。实际星座设计中可兼顾 种轨道进行设计，以达到全球范围内最优的导航定位增强效果。图 全球范围 值 结束语实验通过对 引入不同的低轨卫星星座进行仿真，以卫星可见数与 值为评价指标探讨了不同方案的低轨卫星对 的导航性能增强效果，从卫星轨道类型、卫星轨道高度以及低轨卫星数量等多个方面分析了低轨卫星对 导航性能增强的原理机制，从理论上分析了单 星座独立进行导航定位的可行性。结果表明：）低轨卫星轨道越高，地面覆盖范围越大，地面可见卫星数越多，值越小，但 值变化速度变小；极轨轨道 卫星对 系统增强效果在高纬度地 区最大，倾斜轨道（倾角）对 系统增强效果在中低纬度地区最大。）随着引入低轨卫星数量增多，地面可见卫星数越多，值下降越明显，但当卫星颗数大于 颗时，下降速度变缓慢，逐渐趋向稳定。）低轨卫星运动速度快，空间几何变化也快，可以有效改善 系统 值变化速度过小导致定位收敛速度过长的缺点，可以快速分离各项误差，从根本上缩短收敛时间。参考文献：张小红，马福建低轨导航增强 发展综述测绘学报，（）：，（）：，（）：雷文英，李毅松，周昀，等基于鸿雁单颗 卫星和 卫星的天基导航备份 空间电子技术，（）：田润，崔志颖，张爽娜，等基于低轨通信星座的导航增强技术发展概述导航定位与授时，（）：王磊，陈锐志，李德仁，等珞珈一号低轨卫星导航增强系统信号质量评估 武汉大学学报（信息科学版），（）：景骢北斗三号全球系统核心星座部署完成太空探索，（）：，（）：韩松辉，杜兰，李国重，等 导航增强星座设计与链路性能分析 测绘科学技术学报，（）：徐哲宇混合构型 导航卫星星座设计与优化郑州：信息工程大学，赵兴隆，钟世明，欧吉坤，等 星座增强 的精密单点定位初步分析大地测量与地球动力学，（）：闫建巧，陈明剑，汪威，等基于地基增强系统的增强 技术全球定位系统，（）：，梅建东 双频 三频静态精密单点定位精度分析测绘标准化，（）：编辑：任亚茹 本刊现入编“万方数据 数字化期刊群”和“中国核心期刊（遴选）数据库”，作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付，不再另行发放。作者如不同意将文章入编，投稿时敬请说明。测绘与空间地理信息 年