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现阶段北斗卫星导航系统可用性分析

未知 2014-12-23

一、引言

导航系统的可用性是系统在某一指定覆盖区域内提供可以使用的导航服务能力的标志。可用性既与环境的物理特性和导航发射机设备的技术能力有关，也与导航系统星座备份策略、轨道保持、地面控制以及发射替换方案等密切相关。

可用性包括精度可用性和完好性可用性两个方面的内容。用户位置不同，观测时间不同，可见卫星数目以及卫星几何构图和观测误差也不同，因而不同时空点的系统可用性不同。可用性分析相应的判决条件一般选取几何精度衰减因子DOP，它反映了由于卫星几何关系的影响造成的伪距测量与用户位置误差间的比例系数，是对用户测距误差的放大程度。在伪距观测精度确定的情况下，尽可能的减小精度因子的数值，是提高定位精度的一个重要途径。

按照规划，北斗二代卫星导航系统需要发射35颗卫星，包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，采用“东方红”-3卫星平台。30颗非静止轨道卫星又分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步轨道(IGSO)卫星，27颗MEO卫星平均分布在倾角为55°的三个轨道平面上，3颗倾斜同步轨道卫星的轨道倾角为55°，升交点赤经约为东经118°。

目前北斗二代卫星导航系统已经发射了9颗卫星，已投入使用的6颗卫星分别为3颗静止轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星。其中静止轨道卫星分别位于84°E、110.5°E和160°E。

二、可见性分析

在卫星动力学相关问题的仿真研究中，卫星可见性问题是一个非常重要的基础问题。卫星可见性主要包括地面终端与卫星可见的时间长度、起始和结束时刻及响应的卫星位置。仿真系统的许多问题，例如卫星对地观测、卫星区域覆盖、星地链接和星间链接等问题，都可以归结为卫星可见性问题进行研究。卫星可见性研究，对于卫星轨道设计、卫星系统性能评价、通信网络的路由策略选择、航天任务规划与调度、军事仿真以及其他相关研究都具有非常重要的意义。

设定地面观测点为最西的喀什(76°E，38°N)、最北的漠河(123°E，53°N)、最南的三亚(109°E，18°N)和中部的兰州(103°E，36°N)4个地理位置具有代表性城市，测站的最小仰角为15°，观测时间为24h。其卫星可见情况见图2。

从图中可以看出，无论是高纬度地区还是低纬度地区，在最小仰角15°的条件下，都能全天候保持3颗以上卫星可见数，满足定位的最低要求。低纬度地区可见性最优，以三亚为例，卫星可见数基本保持在5～6颗；高纬度地区和西部地区可见性相对较差，但依然可以达到定位的最低要求。从可见性的仿真分析可以看出，当前“3+3”星座已经能够较好覆盖中国及周边地区，实现基本的定位功能。

三、精度衰减因子的仿真与分析

精度衰减因子(dilutionofprecision，DOP)是重要的评定位置精度质量的参数。DOP因子的数值大小取决于卫星星座的位置、可见卫星数目、卫星高度及方位这几个因素，它用于反映地面站与可见卫星星座的几何关系。通过精确测定DOP值，可以衡量卫星星座的位置精度。

一般来讲，可见卫星间夹角大则DOP值小，测量结果好。DOP值小表明可见卫星星座几何构型好，测量条件佳。也就是说，DOP值越小，测量结果的可信度越高。DOP值的好坏可按表1分等级参考。

DOP因子通常包括：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)与几何精度因子(GDOP)。利用以上各个精度因子，可以从不同的方面对位置精度质量作出评价。本文以GDOP为例，选取四颗仰角最大的卫星进行分析。同样选取喀什、漠河、兰州和三亚四地为观测点，仿真得到的一天内GDOP平均值见图3。

以北纬0°～60°，东经60°～150°为仿真的位置范围，由于三颗倾斜同步轨道卫星相位差为120°，每颗卫星的运行周期为24h，所以以24h为一个观测周期，选取两个间隔时间为4h的时间点，得到的GDOP等值图见图4。

从仿真结果可以看出，GDOP在不同位置平均分布在4～8范围内，精度较优。随着测站位置的变化，GDOP值也呈现出一定的区域变化特性。随着测站地理纬度由北向南逐渐减小，GDOP的值也减小。

四、结束语

本文研究了当前北斗卫星导航系统的可用性，从卫星可见性和精度衰减因子两方面进行了分析。分析结果表明，当前的“3+3”星座在亚太地区可见性良好，低纬度地区卫星可见数平均保持在5～6颗，高纬度地区的卫星可见情况也能够满足定位的最低要求；从精度衰减因子的仿真结果可以看出，大部分地区定位精度优良，但稳定性一般。随着北斗卫星导航系统的进一步建设，其定位性能及稳定性将得到进一步的提高。