基于STK的北斗卫星导航系统仿真与分析.doc

基于STK的北斗卫星导航系统仿真与分析 基金项目：国家高技术发展计划(863计划)(2006AA12Z313)作者: 张帆，陈杨指导教师:刘瑞华(中国民航大学新航行系统研究所，天津，300300)摘要利用卫星仿真工具包STK，结合国外全球导航系统的技术经验和北斗卫星导航系统目前公布的技术资料，对北斗卫星导航系统的星座设计、卫星可见性、定位精度等方面进行了详细的仿真与分析。STK逼真的图形显示使得北斗卫星导航系统的星座仿真具有良好的可视化效果，通过对卫星可见性及定位精度的分析，结果表明北斗卫星导航系统是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统，能为用户提供高精度的导航定位服务。所做工作为北斗卫星导航系统的建设与应用提供了一定的参考意义。关键词：北斗卫星导航系统；卫星仿真工具包；星座设计；卫星可见性；精度因子中图分类号：V324.2+4 文献标识码：A 联系人：张帆 联系电话：[phone]联系人：陈杨 联系电话：[phone] 电子邮箱：ychen2_04Analysis and Simulation of BeiDou Navigation Satellite System Based on STKZHANG Fan CHEN Yang LIU Rui-hua( Institute of CNS/ATM, Civil Aviation University of China，Tianjin，300300)ABSTRACTCombines the technology of the foreign Global Navigation System and some current information, this thesis makes some simulation and analysis on constellation design, satellite visibility and positioning accuracy for Beidou Navigation Satellite System by the Satellite Tool Kit(STK). It shows that Beidou Navigation Satellite System can provides not only global navigation, but also strong Local navigation ability which can be quite efficient and convenient. In addition, this thesis can provide great reference significance to the construction and application of the Beidou Navigation Satellite System.KEYWORDS：Beidou Navigation Satellite System; Satellite Tool Kit(STK); constellation design; satellite visibility; dilution of precision1 引言北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。目前，我国北斗卫星导航系统正处于星座组网建设阶段，根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。因此，对系统进行模拟仿真是我们开展后续工作的前提。鉴于上述背景，本文借助国际著名的仿真分析平台Satellite Tool Kit(以下简称STK)对北斗卫星导航系统的星座设计、卫星可见性及定位精度等方面进行详细的仿真和分析。2 星座设计及仿真目前世界主要卫星导航系统均采用Walk- er星座布局。Walker星座由一组运行于相同轨道周期和倾角的圆轨道卫星组成，记为Walker T/P/F每个轨道上的卫星等间距均匀分布，各轨道面间的升交点经度间距也以相同角度平均分布，因此T（卫星数量）=s（同轨道面的卫星个数）P（轨道面个数）。两条相邻轨道间卫星相对相位由相位参数F确定，F为最东方的卫星至最西方卫星轨道间的“缝隙”数量（360/T），F为0到P-1的整数。卫星导航与卫星通信系统相比，对星座有着大不相同的机和限制，其中最明显的就是需要多重覆盖（即导航应用中需要更多同时可见的卫星）。以GPS系统为例，GPS导航解算最少需要4颗用户可视的卫星，以提供用户确定三维位置和时间所必需的最少4个观测量。因此，GPS星座的一个主要限制是必须一直提供至少4重覆盖。为可靠地保证这种覆盖水平，实际的GPS星座设计为提供4重以上的覆盖，这样即使有一颗卫星出现故障，也能至少维持4颗卫星可见。对于卫星无线电导航系统(RNSS系统)星座的选择，理论和实践表明，高度在2000km以下的低轨卫星星座是不合适的。分析表明2000km高度的Walker星座卫星数是20000km的Walker星座卫星数的4倍1，这将使系统的成本和维持费用猛增。对于高度为20000km的MEO Walker星座，无论卫星总数是24颗，27颗还是30颗，采用3个轨道平面的可用度最高。欧盟伽利略卫星导航系统在进行星座设计时所得出的结论和经验如下2：1)为达到中高等级的性能指标，至少需要24颗卫星。卫星高度对性能指标的影响随卫星数量的增加而减弱。当全球星座卫星数大于等于27颗时，已无需考虑卫星高度对精度的贡献；2)30颗MEO卫星的星座方案为优，选Walker 30/3/1的星座设计为最优方案。当半长轴大于等于25000km时，均能使垂直与水平精度优于5.5m（可用度优于99.7%）；3)为了进一步提高可用度，应增加在轨备份卫星，而不必进行星座修改。参考文献3指出，北斗卫星导航系统在空间段由5颗GEO卫星和2430颗MEO卫星组成，位于轨道倾角为55o的3个轨道平面内，运行周期12小时55分钟，是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统。综合以上讨论的各种因素，选择5GEO+ 30MEO的星座方案，利用STK软件对星座进行建模仿真4。在STK自带的卫星数据库中可以查到Beidou1ABeidou1C这3颗北斗双星导航系统的GEO卫星以及北斗MEO卫星Beidou2A的卫星数据，以其中的Beidou2A为种子星展开Walker 30/3/1星座。同时，考虑到中国及周边地区区域导航的要求，建立两颗位于(86E、0N、36000km)和(120E、0N、36000km)的GEO卫星。为了保证卫星轨道仿真计算的精度，在计算模型中选取高精度地球引力势模型、大气阻力模型(Harris Priester大气模型)、太阳光压模型等，采用高阶Runge-Kutta- Fehlberg算法积分求解卫星运动方程5，最终仿真北斗卫星导航系统的星座分布三维视图，星下点轨迹二维投影分别如图1及图2所示，其中Beidou1ABeidou1E为5颗GEO卫星，Beidou2A 101Beidou2A 110、Beidou2A 201Beidou2A 210及Beidou2A 301Beidou2A 310分别为对应3个轨道面的30颗MEO卫星。图1 5GEO+30MEO卫星空间星座图图2 5GEO+30MEO卫星星下点轨迹图3 卫星可见性分析为了及时捕获卫星信号，需预先估计出卫星相对于某一地面站点的进出场时间、可视卫星数目等对于充分了解其运行状况，合理开展相关卫星捕获等具有重要意义6。建立某地面站Beijing，其位置信息为(116.388E、39.9062N)，分析其在仿真时段内卫星的跟踪状况。1)单颗卫星跟踪分析。利用STK提供的Access Tool分析工具，以Beidou2A卫星为例仿真时段设定为2007年7月1日12:00至2007年7月2日12:00，时间跨度为24小时。在报告栏选择Access即可获得Beijing站捕获Beidou2A卫星的跟踪时段信息，如表1所示。表1 Beidou2A卫星对Beijing站进出场时间Access Start Time (UTCG) Stop Time (UTCG) Duration/s 1 2/7/2007 05:36:15.607 2/7/2007 12:00:00.000 23024.393表1中，Access值对应为1，表示在该时段Beidou2A卫星只经过Beijing站上空一次，起始时刻为当天UTC时间5:36:15.607，截至12:00:00，历时23024.393s。2) 整个星座的跟踪分析。对所有35颗北斗导航卫星进行跟踪分析，可以得到所有卫星对Beijing站的进出场时间，如图3所示。可以看出，大部分卫星在一天内出现12次，这也符合北斗卫星导航系统12小时55分钟的运行周期。图3 35颗北斗导航卫星对Beijing站进出场时间图3)可见卫星数目分析。利用STK链路工具，新建一个链路分析。将上述Beijing站和北斗导航卫星星座作为链路中的两个对象添加至当前链路，就可以分析仿真时段内任意时刻Beijing站的可见卫星数目，如图4所示。图4 可见卫星数目图图4表明，在几乎所有时刻，该地面站点均能同时接收来自北斗系统的13颗以上的卫星，且最多可达18颗。也就是说，满足多重覆盖的要求。在STK中，卫星的可见性还反映在图形窗口中，三维图形中，可以看到卫星的在轨运行状态，当卫星对地面站可见时，卫星和地面站之间有一条线进行连接，当该卫星不可见时，连线消失，如图5所示。通过三维图形显示，直观形象地描述了地面站对北斗卫星导航系统的可见性。图5 卫星可见性三维空间显示图4 定位精度分析对于大多数用户而言，最关心的是位置精度和给定精度下的可信度。利用北斗卫星导航系统进行定位，其精度主要决定于以下两个因素：其一是所测卫星在空间的几何分布，通常称为卫星分布的几何图形；其二是观测量的精度。位置精度用以下公式表示7：Accuracy=UEREDOP (1)其中，Accuracy为位置精度，UERE为用户等效距离误差，DOP为精度因子，其数值越小，用户定位精度越高。等效距离误差是根据卫星至接收机的路径上的各种因素（如钟差、电离层延迟等）预测的伪距观测值的变化值，精度因子反映卫星的空间几何分布，它是星座大小和轨道参数的一个函数。通常有平面位置精度因子HDOP、高程精度因子VDOP、空间位置精度因子PDOP、接收机钟差精度因子TDOP和几何精度因子GDOP。利用以上各项精度因子，便可以从不同的方面对定位精度做出评价。利用STK的覆盖分析模块，可以分析单个或星座对象的全局和区域覆盖问题。在进行覆盖分析时，STK不仅可以提供详尽的分析报告和图表，能对覆盖的变化进行同步仿真，而且还会充分考虑所有对象的访问约束，避免计算误差。对于地面站Beijing，计算仿真时段内该站点各DOP值，并绘制其随时间变化的曲线，如图7和图8所示。图7 GDOP、VDOP和HDOP随时间变化曲线图图8 PDOP和TDOP随时间变化曲线图此外，对全球范围进行覆盖分析，考察DOP值随地理位置的空间变化情况。空间分辨率取11，分析几何精度因子GDOP随经纬度的变化，如图9和10所示。图9 GDOP随纬度变化曲线图图10 GDOP随经度变化曲线图从图中可以看出，在全球范围内北斗卫星导航系统的GDOP值均在1.7以内，总体上曲线起伏较小，说明北斗卫星导航系统具有良好的系统连续性。GDOP值随经度变化较纬度方向略为显著。在中低纬度地区的GDOP值相对较小且稳定，整体上在1.65左右。由于存在5颗增强区域导航性能的GEO卫星，故在我国及周边地区的经度范围内GDOP较之其他经度范围略小，处于1.30左右，其他经度范围内，GDOP水平在1.60左右。因此，上述分析表明北斗卫星导航系统的设计在全球范围内具有良好的覆盖品质，同时是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统，能为用户提供高精度的导航定位服务。5 结束语STK作为一款先进的卫星工具，具有强大的计算能力、逼真的图形显示、全面的分析功能以及可靠的数据报表等特性。本文借助它对北斗卫星导航系统的星座设计、卫星可见性分析以及定位精度等方面进行了详细的仿真与分析。卫星星座和星下点轨迹的显示具有良好直观的可视化效果。星座中各卫星的进出场时间(跟踪)以及可见卫星数目的仿真对合理有效地开展相关信号捕获工作具有重要意义。从定位精度分析所得的图表报告中可以直观的了解到北斗卫星导航系统在全球范围内具有良好的覆盖品质，是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统，能为用户提供高精度的导航定位服务。北斗卫星导航系统目前仍处于建设阶段，本文利用STK提供了强大的卫星仿真平台对北斗系统进行了仿真分析，仿真精度还有待于系统完全建成，并投入运行后得到进一步验证。本文所做工作对开拓北斗卫星导航系统应用领域具有一定意义，同时可以为具体的空间任务设计提供相应的参考依据。参考文献1 Paul Massatt, Micheal Zeitzew. The GPS Constellation Design-Current and ProjectedC.Proceedings of The National Technical Meeting NAVIGATION 2000.Long Beach.California,1998:569-5742 系统级的作证文件.欧洲全球导航卫星系统(GNSS-2)比较研究(八)R.周傲松译.中国空间技术研究院.20013 谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考J.宇航学报,2008,29,(2):392-3964 杨颖 王琦.STK在计算机仿真中的应用M.北京,国防工业出版社,2005:87-1205 柴霖,袁建平,方群,等.基于STK的星座设计与性能评估J.宇航学报,2003,24,(4): 421-4236 代明鑫,张文明,王雪松.基于STK的SAR卫星轨道预报设计与仿真J.现代防御技术,2008,36(1):5-97 周广勇,李良良. 基于STK的全球卫星导航定位系统DOP值仿真J. 地理空间信息,2009,7(3):102-104