衛(wèi)星失效對區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿挠绊?/h1>
2016-04-07 08:45:40蘇天祥藍(lán)柏強(qiáng)
導(dǎo)航定位學(xué)報(bào) 2016年1期
蘇天祥，辛 鑫，藍(lán)柏強(qiáng)，王 博，張 旭 ，曲 健，權(quán) 力
(1.汕頭導(dǎo)航站，廣東 汕頭 515071；2.國防信息學(xué)院，武漢 430000)
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衛(wèi)星失效對區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿挠绊?/p>
蘇天祥1，辛鑫1，藍(lán)柏強(qiáng)1，王博2，張旭1，曲健1，權(quán)力1
(1.汕頭導(dǎo)航站，廣東汕頭515071；2.國防信息學(xué)院，武漢430000)
摘要：可視衛(wèi)星數(shù)、位置精度因子和系統(tǒng)可用度是評估星座設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。本文首先對區(qū)域?qū)Ш叫亲闹饕阅苓M(jìn)行了分析和仿真；然后分別針對中高軌衛(wèi)星，靜止軌道衛(wèi)星和傾斜軌道衛(wèi)星失效后的情況，分析了區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿淖兓蛔詈蠡诜治鼋Y(jié)果，給出了衛(wèi)星在軌備份的建議。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)航星座；衛(wèi)星失效；可視衛(wèi)星數(shù)；位置精度因子；系統(tǒng)可用度
0引言
隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事和民用方面應(yīng)用的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為一個國家綜合實(shí)力的具體體現(xiàn)，同時(shí)也是國家重大戰(zhàn)略設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)。我國于2003年建成北斗“雙星”定位系統(tǒng)，并緊接著開始了北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的建設(shè)。自2007年發(fā)射第一顆中圓軌道衛(wèi)星(medium Earth orbit，MEO)實(shí)驗(yàn)星以來，我國進(jìn)行了大量衛(wèi)星在軌試驗(yàn)，為建成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，并于2010年后集中發(fā)射區(qū)域組網(wǎng)衛(wèi)星，于2012年10月份完成區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星組網(wǎng)，在同年12月份正式對亞太地區(qū)提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)[1-3]。
我國區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)采用了5顆地球靜止軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbit，IGSO)衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道(medium Earth orbit，MEO)衛(wèi)星3類軌道14顆衛(wèi)星的組網(wǎng)形式，即“5GEO+5IGSO+4MEO”。坐標(biāo)系統(tǒng)為中國大地坐標(biāo)系2000(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)，時(shí)間系統(tǒng)為北斗時(shí)(BDS time，BDT)[4]。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，由于空間的不定因素或人為干擾可能導(dǎo)致部分衛(wèi)星無法正常發(fā)播導(dǎo)航電文，即衛(wèi)星失效，從而導(dǎo)致整個區(qū)域?qū)Ш叫亲男阅芟陆?，會?yán)重影響用戶導(dǎo)航定位精度。近年來，國內(nèi)學(xué)者對BDS導(dǎo)航星座性能進(jìn)行了大量的仿真和測試[5-8]，但對衛(wèi)星失效后導(dǎo)航星座性能變化的研究較少[9]。針對上述情況，本文首先分析了完整星座的導(dǎo)航性能，然后研究了部分衛(wèi)星失效后對導(dǎo)航系統(tǒng)的影響，最后針對導(dǎo)航性能惡化的程度給出衛(wèi)星在軌備份的策略。
1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)
通常情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)包括：覆蓋范圍、可用性、連續(xù)性、完好性、精度、導(dǎo)航星歷更新率、系統(tǒng)容量等[10-11]。本文就可視衛(wèi)星數(shù)，空間幾何構(gòu)型，系統(tǒng)可用度3個指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析。
1.1可視衛(wèi)星數(shù)
用戶可視衛(wèi)星數(shù)是指滿足用戶視場范圍最小仰角要求且參與用戶導(dǎo)航定位解算的衛(wèi)星。通常在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中至少需要4顆衛(wèi)星可視，如果需要對系統(tǒng)進(jìn)行接收機(jī)自主完好性監(jiān)測，則至少要達(dá)到5顆可視衛(wèi)星才能完成故障檢測任務(wù)，而如果是排除故障則最少需要6顆可視衛(wèi)星才能滿足要求[8，12]。
1.2空間幾何構(gòu)型
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間幾何構(gòu)型對系統(tǒng)定位精度有著直接影響，通常用幾何精度衰減因子(position dilution of precision，PDOP)、授時(shí)精度衰減因子(time dilution of precision，TDOP)來衡量[13]。用戶導(dǎo)航定位精度和授時(shí)精度直接由用戶等效測距誤差(user equivalent range error，UERE)和PDOP值、TDOP值決定
SXYZ=SUERE×mPDOP
(1)
ST=SUERE×mTDOP
(2)
式(1)及式(2)中，SXYZ和ST分別為導(dǎo)航定位精度、授時(shí)精度；SUERE值為系統(tǒng)等效測距誤差，代表系統(tǒng)物理性能；而mPDOP值為參與接收機(jī)定位的衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型強(qiáng)度；mTDOP一定程度上反映了授時(shí)精度的好壞。本文以mPDOP值作為評價(jià)星座導(dǎo)航定位性能的指標(biāo)。
1.3系統(tǒng)可用度
導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性是指導(dǎo)航系統(tǒng)在指定覆蓋區(qū)域內(nèi)提供服務(wù)時(shí)可以使用時(shí)間的百分比，它主要和空間環(huán)境以及發(fā)射機(jī)等硬件性能有關(guān)[14]。本文中的導(dǎo)航系統(tǒng)可用度是以限制PDOP值為基礎(chǔ)來定義的，即當(dāng)區(qū)域內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)可用，其中為門限值[15]在覆蓋范圍內(nèi)以經(jīng)緯度劃分的網(wǎng)格點(diǎn)，系統(tǒng)可用度可以通過計(jì)算各個網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)在星座內(nèi)的PDOP值來得到。網(wǎng)格點(diǎn)上的可用度和整個服務(wù)區(qū)的可用度計(jì)算為
(3)
(4)
2仿真分析
2.1場景設(shè)置
目前，BDS是一個區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)，其中空間部分是由5 顆GEO衛(wèi)星、4顆MEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星組成。GEO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，分別定點(diǎn)于58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E；MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km，軌道傾角55°；IGSO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，軌道傾角55°[4]?！?GEO+5IGSO+4MEO”3類軌道共14顆衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座?？臻g星座如圖1所示，星座的星下點(diǎn)軌跡如圖2所示，而圖3給出了以世界協(xié)調(diào)時(shí)(coordinated universal time，UTC)2013年7月某天0時(shí)歷元時(shí)刻為基準(zhǔn)，用平面投影表示的衛(wèi)星軌道，其中橫坐標(biāo)為升交點(diǎn)赤經(jīng)(right ascension ascending node，RAAN)，縱坐標(biāo)為平近點(diǎn)角(M)。
覆蓋區(qū)域?yàn)?°N～55°N，70°E～140°E，緯度和經(jīng)度均以1°為單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，PDOP門限值分別取4、5和6，用戶高度截止角為15°。
圖1 BDS空間星座
圖2 BDS星下點(diǎn)軌跡(UTC 2014.07.XX.00：00：00)
圖3 BDS星座二維平面圖
2.2場景仿真及結(jié)果分析
分別仿真在區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星完整、GEO衛(wèi)星失效、IGSO衛(wèi)星失效以及MEO衛(wèi)星失效等場景下，覆蓋區(qū)域內(nèi)導(dǎo)航定位的性能指標(biāo)，并對其變化進(jìn)行評估。
表1 衛(wèi)星失效前后衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能比對表
由上表可以看出，GEO衛(wèi)星中的G5號衛(wèi)星，IGSO衛(wèi)星中的I3號星和MEO衛(wèi)星中的M2號衛(wèi)星對導(dǎo)航性能的影響較大。下面分別就星座完整以及G5、I3和M2衛(wèi)星失效等情況，對區(qū)域內(nèi)的可視衛(wèi)星數(shù)、PDOP值和系統(tǒng)可用度進(jìn)行仿真。
(1)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)對比
如圖4至圖7所示，星座完整時(shí)區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)的可視衛(wèi)星數(shù)基本可以達(dá)到8顆以上，并且在區(qū)域中間部分分布較為集中；當(dāng)GEO-5失效后，區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)基本可以達(dá)到7顆以上，但是區(qū)域內(nèi)西側(cè)邊的可視衛(wèi)星數(shù)的分布有了明顯變化，這是因?yàn)镚EO-5離我國區(qū)域較遠(yuǎn)(如圖2所示)，它的失效將會引起區(qū)域以西衛(wèi)星分布的變化；IGSO-3失效后區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)可視衛(wèi)星數(shù)在7顆以上，但是在衛(wèi)星分布上發(fā)生了變化，這主要是由于IGSO是周期性傾斜軌道衛(wèi)星，它的失效會導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)的變化；而MEO-2失效區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)仍為8顆左右，這是因?yàn)镸EO的作用是為了改善星座構(gòu)型，與IGSO形成互補(bǔ)，因此MEO的失效對區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星可視數(shù)的影響不大，但會影響區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星的分布情況。
圖4 星座完整時(shí)區(qū)域可視衛(wèi)星分布
圖5 GEO-5衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布
圖6 IGSO-3衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布
圖7 MEO-2衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布
(2)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)PDOP值對比
如圖8至圖11所示，星座完整時(shí)區(qū)域內(nèi)的PDOP值基本保持在2.6以下，中間區(qū)域部分在2以下，幾何構(gòu)型較好；但GEO-5失效后，區(qū)域內(nèi)PDOP值及分布發(fā)生了明顯變化，其原因是GEO-5處在我國上空的西側(cè)，失效后則會影響星座幾何構(gòu)型，使得該區(qū)域的觀測幾何發(fā)生變化，導(dǎo)致PDOP值變大，其中區(qū)域靠西測PDOP值變化較為明顯；而IGSO-3失效后造成的區(qū)域內(nèi)PDOP值增大，是因?yàn)镮GSO-3單獨(dú)占據(jù)一個軌道面，對區(qū)域的觀測幾何有著重要影響，一旦失效必然會引起PDOP值及其分布的變化；由于MEO和IGSO形成空間上的互補(bǔ)，且變化周期短，所以MEO失效后PDOP值分布的變化與IGSO失效的情況類似。
圖8 星座完整時(shí)區(qū)域PDOP值分布
圖9 GEO-5衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布
圖10 IGSO-3衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布
圖11 MEO-2衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布
(3)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)可用度對比
如圖12所示，當(dāng)系統(tǒng)可用度要求PDOP≤4時(shí)，GEO-5失效后可用度下降較為明顯，在中午12時(shí)附近系統(tǒng)可用度降至10%以下；當(dāng)系統(tǒng)可用度要求PDOP降低到5時(shí)，GEO-5失效后的系統(tǒng)可用度有較為明顯的改善，但在12點(diǎn)附近可用度仍達(dá)不到50%；當(dāng)PDOP放寬到6時(shí)，GEO-5失效后系統(tǒng)可用度全天基本可以達(dá)到90%以上。IGSO-3 和MEO-2失效后的系統(tǒng)可用度隨PDOP值的變化趨于類似GEO-5。這與本文定義的系統(tǒng)可用度相吻合，即隨著PDOP值門限條件的放寬，衛(wèi)星失效對系統(tǒng)可用度影響逐漸降低。針對不同衛(wèi)星失效后在不同PDOP條件下的系統(tǒng)可用度進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖13所示。由圖13可以更明顯地反映出不同PDOP條件對系統(tǒng)可用度的影響趨勢。
圖12 失效衛(wèi)星與系統(tǒng)可用度關(guān)系
圖13 3種PDOP值下系統(tǒng)可用度統(tǒng)計(jì)值
3結(jié)束語
隨著我國BDS衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的不斷進(jìn)步，提高系統(tǒng)可用度和完好性是發(fā)展的必然趨勢。本文就單顆衛(wèi)星失效后對區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航的影響進(jìn)行了分析，通過分別對3類衛(wèi)星的可視衛(wèi)星數(shù)、PDOP值和系統(tǒng)可用度3個指標(biāo)進(jìn)行仿真，找出了影響系統(tǒng)性能較大的衛(wèi)星。在不考慮衛(wèi)星在軌狀態(tài)(在軌壽命、載荷性能等因素)的條件下，增加在軌備份星時(shí)，應(yīng)先考慮在對系統(tǒng)影響較大的衛(wèi)星附近進(jìn)行衛(wèi)星備份。但本文并沒有考慮兩顆衛(wèi)星或者兩顆以上衛(wèi)星同時(shí)失效對導(dǎo)航性能的影響，下一步工作將針對兩顆衛(wèi)星或者多顆衛(wèi)星同時(shí)失效進(jìn)一步研究。此外，在實(shí)際中如何確定在軌備份衛(wèi)星選取判別的標(biāo)準(zhǔn)，還需考慮衛(wèi)星在軌時(shí)間以及壽命等多種因素。
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The Influence on Performance of the Region Navigation Constellation with Failure Satellite
SUTianxiang1，XINXin1，LANBaiqiang1，WANGBo2，ZHANGXu1，QUJian1，QUANLi1
(1.Shantou Navigation Station，Shantou 515071，China；2.PLA Academy of National Defense Information，Wuhan 430000，China)
Abstract：The numbers of visible satellites，position dilution of precision and system availability are three important indicators assessing the performance of the satellite constellation.The main performance of the region satellite navigation constellation is analyzed and simulated firstly.Then，the influence of the main performance is analyzed respectively by the failure for the medium-orbit satellites，the geostationary satellites and the inclined geostationary satellites.Based on the analysis of the results，the suggestion of the in-orbit satellite backup is given at last.
Key words：navigation constellation；satellite failure；number of visible satellites；PDOP；system availability
中圖分類號：P228
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：2095-4999(2016)-01-0050-05
作者簡介：第一蘇天祥(1984—)，男，甘肅莊浪人，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程研究。
收稿日期：2015-06-12
引文格式：蘇天祥，辛鑫，王博，等.衛(wèi)星失效對區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿挠绊慬J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(1)：50-54.(SU Tianxiang，XIN Xin，LAN Baiqiang，et al.The Influence on Performance of the Region Navigation Constellation with Failure Satellite[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：50-54.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160110.
蘇天祥，辛 鑫，藍(lán)柏強(qiáng)，王 博，張 旭 ，曲 健，權(quán) 力
(1.汕頭導(dǎo)航站，廣東 汕頭 515071；2.國防信息學(xué)院，武漢 430000)
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衛(wèi)星失效對區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿挠绊?/p>
蘇天祥1，辛鑫1，藍(lán)柏強(qiáng)1，王博2，張旭1，曲健1，權(quán)力1
(1.汕頭導(dǎo)航站，廣東汕頭515071；2.國防信息學(xué)院，武漢430000)
摘要：可視衛(wèi)星數(shù)、位置精度因子和系統(tǒng)可用度是評估星座設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。本文首先對區(qū)域?qū)Ш叫亲闹饕阅苓M(jìn)行了分析和仿真；然后分別針對中高軌衛(wèi)星，靜止軌道衛(wèi)星和傾斜軌道衛(wèi)星失效后的情況，分析了區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿淖兓蛔詈蠡诜治鼋Y(jié)果，給出了衛(wèi)星在軌備份的建議。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)航星座；衛(wèi)星失效；可視衛(wèi)星數(shù)；位置精度因子；系統(tǒng)可用度
0引言
隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事和民用方面應(yīng)用的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為一個國家綜合實(shí)力的具體體現(xiàn)，同時(shí)也是國家重大戰(zhàn)略設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)。我國于2003年建成北斗“雙星”定位系統(tǒng)，并緊接著開始了北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的建設(shè)。自2007年發(fā)射第一顆中圓軌道衛(wèi)星(medium Earth orbit，MEO)實(shí)驗(yàn)星以來，我國進(jìn)行了大量衛(wèi)星在軌試驗(yàn)，為建成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，并于2010年后集中發(fā)射區(qū)域組網(wǎng)衛(wèi)星，于2012年10月份完成區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星組網(wǎng)，在同年12月份正式對亞太地區(qū)提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)[1-3]。
我國區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)采用了5顆地球靜止軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbit，IGSO)衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道(medium Earth orbit，MEO)衛(wèi)星3類軌道14顆衛(wèi)星的組網(wǎng)形式，即“5GEO+5IGSO+4MEO”。坐標(biāo)系統(tǒng)為中國大地坐標(biāo)系2000(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)，時(shí)間系統(tǒng)為北斗時(shí)(BDS time，BDT)[4]。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，由于空間的不定因素或人為干擾可能導(dǎo)致部分衛(wèi)星無法正常發(fā)播導(dǎo)航電文，即衛(wèi)星失效，從而導(dǎo)致整個區(qū)域?qū)Ш叫亲男阅芟陆?，會?yán)重影響用戶導(dǎo)航定位精度。近年來，國內(nèi)學(xué)者對BDS導(dǎo)航星座性能進(jìn)行了大量的仿真和測試[5-8]，但對衛(wèi)星失效后導(dǎo)航星座性能變化的研究較少[9]。針對上述情況，本文首先分析了完整星座的導(dǎo)航性能，然后研究了部分衛(wèi)星失效后對導(dǎo)航系統(tǒng)的影響，最后針對導(dǎo)航性能惡化的程度給出衛(wèi)星在軌備份的策略。
1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)
通常情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)包括：覆蓋范圍、可用性、連續(xù)性、完好性、精度、導(dǎo)航星歷更新率、系統(tǒng)容量等[10-11]。本文就可視衛(wèi)星數(shù)，空間幾何構(gòu)型，系統(tǒng)可用度3個指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析。
1.1可視衛(wèi)星數(shù)
用戶可視衛(wèi)星數(shù)是指滿足用戶視場范圍最小仰角要求且參與用戶導(dǎo)航定位解算的衛(wèi)星。通常在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中至少需要4顆衛(wèi)星可視，如果需要對系統(tǒng)進(jìn)行接收機(jī)自主完好性監(jiān)測，則至少要達(dá)到5顆可視衛(wèi)星才能完成故障檢測任務(wù)，而如果是排除故障則最少需要6顆可視衛(wèi)星才能滿足要求[8，12]。
1.2空間幾何構(gòu)型
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間幾何構(gòu)型對系統(tǒng)定位精度有著直接影響，通常用幾何精度衰減因子(position dilution of precision，PDOP)、授時(shí)精度衰減因子(time dilution of precision，TDOP)來衡量[13]。用戶導(dǎo)航定位精度和授時(shí)精度直接由用戶等效測距誤差(user equivalent range error，UERE)和PDOP值、TDOP值決定
SXYZ=SUERE×mPDOP
(1)
ST=SUERE×mTDOP
(2)
式(1)及式(2)中，SXYZ和ST分別為導(dǎo)航定位精度、授時(shí)精度；SUERE值為系統(tǒng)等效測距誤差，代表系統(tǒng)物理性能；而mPDOP值為參與接收機(jī)定位的衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型強(qiáng)度；mTDOP一定程度上反映了授時(shí)精度的好壞。本文以mPDOP值作為評價(jià)星座導(dǎo)航定位性能的指標(biāo)。
1.3系統(tǒng)可用度
導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性是指導(dǎo)航系統(tǒng)在指定覆蓋區(qū)域內(nèi)提供服務(wù)時(shí)可以使用時(shí)間的百分比，它主要和空間環(huán)境以及發(fā)射機(jī)等硬件性能有關(guān)[14]。本文中的導(dǎo)航系統(tǒng)可用度是以限制PDOP值為基礎(chǔ)來定義的，即當(dāng)區(qū)域內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)可用，其中為門限值[15]在覆蓋范圍內(nèi)以經(jīng)緯度劃分的網(wǎng)格點(diǎn)，系統(tǒng)可用度可以通過計(jì)算各個網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)在星座內(nèi)的PDOP值來得到。網(wǎng)格點(diǎn)上的可用度和整個服務(wù)區(qū)的可用度計(jì)算為
(3)
(4)
2仿真分析
2.1場景設(shè)置
目前，BDS是一個區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)，其中空間部分是由5 顆GEO衛(wèi)星、4顆MEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星組成。GEO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，分別定點(diǎn)于58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E；MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km，軌道傾角55°；IGSO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，軌道傾角55°[4]?！?GEO+5IGSO+4MEO”3類軌道共14顆衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座?？臻g星座如圖1所示，星座的星下點(diǎn)軌跡如圖2所示，而圖3給出了以世界協(xié)調(diào)時(shí)(coordinated universal time，UTC)2013年7月某天0時(shí)歷元時(shí)刻為基準(zhǔn)，用平面投影表示的衛(wèi)星軌道，其中橫坐標(biāo)為升交點(diǎn)赤經(jīng)(right ascension ascending node，RAAN)，縱坐標(biāo)為平近點(diǎn)角(M)。
覆蓋區(qū)域?yàn)?°N～55°N，70°E～140°E，緯度和經(jīng)度均以1°為單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，PDOP門限值分別取4、5和6，用戶高度截止角為15°。
圖1 BDS空間星座
圖2 BDS星下點(diǎn)軌跡(UTC 2014.07.XX.00：00：00)
圖3 BDS星座二維平面圖
2.2場景仿真及結(jié)果分析
分別仿真在區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星完整、GEO衛(wèi)星失效、IGSO衛(wèi)星失效以及MEO衛(wèi)星失效等場景下，覆蓋區(qū)域內(nèi)導(dǎo)航定位的性能指標(biāo)，并對其變化進(jìn)行評估。
表1 衛(wèi)星失效前后衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能比對表
由上表可以看出，GEO衛(wèi)星中的G5號衛(wèi)星，IGSO衛(wèi)星中的I3號星和MEO衛(wèi)星中的M2號衛(wèi)星對導(dǎo)航性能的影響較大。下面分別就星座完整以及G5、I3和M2衛(wèi)星失效等情況，對區(qū)域內(nèi)的可視衛(wèi)星數(shù)、PDOP值和系統(tǒng)可用度進(jìn)行仿真。
(1)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)對比
如圖4至圖7所示，星座完整時(shí)區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)的可視衛(wèi)星數(shù)基本可以達(dá)到8顆以上，并且在區(qū)域中間部分分布較為集中；當(dāng)GEO-5失效后，區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)基本可以達(dá)到7顆以上，但是區(qū)域內(nèi)西側(cè)邊的可視衛(wèi)星數(shù)的分布有了明顯變化，這是因?yàn)镚EO-5離我國區(qū)域較遠(yuǎn)(如圖2所示)，它的失效將會引起區(qū)域以西衛(wèi)星分布的變化；IGSO-3失效后區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)可視衛(wèi)星數(shù)在7顆以上，但是在衛(wèi)星分布上發(fā)生了變化，這主要是由于IGSO是周期性傾斜軌道衛(wèi)星，它的失效會導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)的變化；而MEO-2失效區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星數(shù)仍為8顆左右，這是因?yàn)镸EO的作用是為了改善星座構(gòu)型，與IGSO形成互補(bǔ)，因此MEO的失效對區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星可視數(shù)的影響不大，但會影響區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星的分布情況。
圖4 星座完整時(shí)區(qū)域可視衛(wèi)星分布
圖5 GEO-5衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布
圖6 IGSO-3衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布
圖7 MEO-2衛(wèi)星失效后區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星分布
(2)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)PDOP值對比
如圖8至圖11所示，星座完整時(shí)區(qū)域內(nèi)的PDOP值基本保持在2.6以下，中間區(qū)域部分在2以下，幾何構(gòu)型較好；但GEO-5失效后，區(qū)域內(nèi)PDOP值及分布發(fā)生了明顯變化，其原因是GEO-5處在我國上空的西側(cè)，失效后則會影響星座幾何構(gòu)型，使得該區(qū)域的觀測幾何發(fā)生變化，導(dǎo)致PDOP值變大，其中區(qū)域靠西測PDOP值變化較為明顯；而IGSO-3失效后造成的區(qū)域內(nèi)PDOP值增大，是因?yàn)镮GSO-3單獨(dú)占據(jù)一個軌道面，對區(qū)域的觀測幾何有著重要影響，一旦失效必然會引起PDOP值及其分布的變化；由于MEO和IGSO形成空間上的互補(bǔ)，且變化周期短，所以MEO失效后PDOP值分布的變化與IGSO失效的情況類似。
圖8 星座完整時(shí)區(qū)域PDOP值分布
圖9 GEO-5衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布
圖10 IGSO-3衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布
圖11 MEO-2衛(wèi)星失效后區(qū)域PDOP值分布
(3)衛(wèi)星失效前后區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)可用度對比
如圖12所示，當(dāng)系統(tǒng)可用度要求PDOP≤4時(shí)，GEO-5失效后可用度下降較為明顯，在中午12時(shí)附近系統(tǒng)可用度降至10%以下；當(dāng)系統(tǒng)可用度要求PDOP降低到5時(shí)，GEO-5失效后的系統(tǒng)可用度有較為明顯的改善，但在12點(diǎn)附近可用度仍達(dá)不到50%；當(dāng)PDOP放寬到6時(shí)，GEO-5失效后系統(tǒng)可用度全天基本可以達(dá)到90%以上。IGSO-3 和MEO-2失效后的系統(tǒng)可用度隨PDOP值的變化趨于類似GEO-5。這與本文定義的系統(tǒng)可用度相吻合，即隨著PDOP值門限條件的放寬，衛(wèi)星失效對系統(tǒng)可用度影響逐漸降低。針對不同衛(wèi)星失效后在不同PDOP條件下的系統(tǒng)可用度進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖13所示。由圖13可以更明顯地反映出不同PDOP條件對系統(tǒng)可用度的影響趨勢。
圖12 失效衛(wèi)星與系統(tǒng)可用度關(guān)系
圖13 3種PDOP值下系統(tǒng)可用度統(tǒng)計(jì)值
3結(jié)束語
隨著我國BDS衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的不斷進(jìn)步，提高系統(tǒng)可用度和完好性是發(fā)展的必然趨勢。本文就單顆衛(wèi)星失效后對區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航的影響進(jìn)行了分析，通過分別對3類衛(wèi)星的可視衛(wèi)星數(shù)、PDOP值和系統(tǒng)可用度3個指標(biāo)進(jìn)行仿真，找出了影響系統(tǒng)性能較大的衛(wèi)星。在不考慮衛(wèi)星在軌狀態(tài)(在軌壽命、載荷性能等因素)的條件下，增加在軌備份星時(shí)，應(yīng)先考慮在對系統(tǒng)影響較大的衛(wèi)星附近進(jìn)行衛(wèi)星備份。但本文并沒有考慮兩顆衛(wèi)星或者兩顆以上衛(wèi)星同時(shí)失效對導(dǎo)航性能的影響，下一步工作將針對兩顆衛(wèi)星或者多顆衛(wèi)星同時(shí)失效進(jìn)一步研究。此外，在實(shí)際中如何確定在軌備份衛(wèi)星選取判別的標(biāo)準(zhǔn)，還需考慮衛(wèi)星在軌時(shí)間以及壽命等多種因素。
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The Influence on Performance of the Region Navigation Constellation with Failure Satellite
SUTianxiang1，XINXin1，LANBaiqiang1，WANGBo2，ZHANGXu1，QUJian1，QUANLi1
(1.Shantou Navigation Station，Shantou 515071，China；2.PLA Academy of National Defense Information，Wuhan 430000，China)
Abstract：The numbers of visible satellites，position dilution of precision and system availability are three important indicators assessing the performance of the satellite constellation.The main performance of the region satellite navigation constellation is analyzed and simulated firstly.Then，the influence of the main performance is analyzed respectively by the failure for the medium-orbit satellites，the geostationary satellites and the inclined geostationary satellites.Based on the analysis of the results，the suggestion of the in-orbit satellite backup is given at last.
Key words：navigation constellation；satellite failure；number of visible satellites；PDOP；system availability
中圖分類號：P228
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：2095-4999(2016)-01-0050-05
作者簡介：第一蘇天祥(1984—)，男，甘肅莊浪人，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程研究。
收稿日期：2015-06-12
引文格式：蘇天祥，辛鑫，王博，等.衛(wèi)星失效對區(qū)域?qū)Ш叫亲阅艿挠绊慬J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(1)：50-54.(SU Tianxiang，XIN Xin，LAN Baiqiang，et al.The Influence on Performance of the Region Navigation Constellation with Failure Satellite[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：50-54.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160110.
