徐煒,耿加偉,王濤,盧禮,杜文選

(安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院,安徽 淮南 232001)

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“一帶一路”沿線及周邊地區(qū)BDS定位性能動(dòng)態(tài)分析

徐煒,耿加偉,王濤,盧禮,杜文選

(安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院,安徽 淮南 232001)

本文通過STK軟件對(duì)BDS全球組網(wǎng)時(shí)至當(dāng)前的星座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真,確定了“一帶一路”沿線及周邊地區(qū)最小可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值以及定位誤差的動(dòng)態(tài)變化過程。結(jié)果表明,當(dāng)前BDS已實(shí)現(xiàn)“一帶一路”沿線大部分地區(qū)的覆蓋,中國大陸、東南亞、南亞等地區(qū)的定位精度優(yōu)于13 m,但北歐、東歐、西亞等小部分地區(qū)的定位精度仍有待提高;MEO衛(wèi)星較GEO/IGSO衛(wèi)星對(duì)“一帶一路”沿線及周邊地區(qū)定位精度的提升作用要大;同時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著可見衛(wèi)星數(shù)的增加,GDOP值逐漸減小,但當(dāng)可見衛(wèi)星數(shù)達(dá)到一定值時(shí),隨著可見衛(wèi)星數(shù)的增加,GDOP值的減小幅度不明顯,說明單純?cè)黾涌梢娦l(wèi)星數(shù)有時(shí)并不完全能提高定位精度。

STK;“一帶一路”;最小可見衛(wèi)星數(shù);GDOP值;定位精度;動(dòng)態(tài)變化

0 引 言

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn),我國與相關(guān)國家的經(jīng)濟(jì)合作也將越來越密切,BDS對(duì)“一帶一路”沿線及周邊國家的覆蓋將會(huì)促進(jìn)相關(guān)國家間的交流與合作。當(dāng)前,我國設(shè)計(jì)建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)能夠在周邊區(qū)域提供導(dǎo)航定位服務(wù),按照BDS“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,計(jì)劃2018年面向“一帶一路”沿線及周邊國家提供基本服務(wù),2020年完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng),為全球用戶提供服務(wù)[1-3]。鑒于上述背景,本文通過STK軟件對(duì)BDS的衛(wèi)星星座結(jié)果進(jìn)行仿真,確定從BDS全球組網(wǎng)時(shí)每顆衛(wèi)星的運(yùn)行對(duì)在“一帶一路”沿線及周邊國家的定位性能的影響,為下一步BDS的持續(xù)組網(wǎng)和“一帶一路”的建設(shè)提供參考。

1 STK簡介

衛(wèi)星工具箱(STK),是由美國AGI公司開發(fā)的一款在航天工業(yè)領(lǐng)域最為領(lǐng)先的商業(yè)化分析軟件,廣泛地應(yīng)用于美國的航空機(jī)構(gòu),其主要功能包括; 計(jì)算衛(wèi)星在任何時(shí)刻的位置和姿態(tài),衛(wèi)星或地面站遙感器的覆蓋區(qū)域;提供衛(wèi)星軌道生成向?qū)?建立常見軌道,如地球同步軌道、近地軌道等;計(jì)算空間對(duì)象間的訪問時(shí)間并在二維地圖窗口中動(dòng)畫顯示,可以在對(duì)象間增加幾何約束條件(如可視范圍、最小仰角等)來進(jìn)行細(xì)節(jié)上的仿真;顯示所有以時(shí)間為單位的信息,對(duì)任務(wù)場景變化等具備多窗口實(shí)時(shí)顯示能力;提供超過一百種的文字或圖表形式的報(bào)告信息,為自己關(guān)心的對(duì)象定制報(bào)告。

2 星座結(jié)構(gòu)仿真

截止當(dāng)前,BDS在軌衛(wèi)星達(dá)到23顆,其中21顆能夠提供導(dǎo)航定位服務(wù),包括6顆GEO衛(wèi)星,7顆MEO衛(wèi)星,8顆IGSO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星的軌道高度為35 786 km,6顆GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞太地區(qū)的6重覆蓋[4]。IGSO衛(wèi)星的軌道高度為35 786 km,軌道傾角為55°,該衛(wèi)星克服了高緯度始終低仰角的問題。MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km,軌道傾角為55°.仿真BDS星座結(jié)構(gòu)時(shí),采用2016年9月2日的BDS衛(wèi)星的TLE(Two Line El-ement)軌道星歷數(shù)據(jù),將TLE數(shù)據(jù)與簡化常規(guī)攝動(dòng)模型(SGP4)預(yù)報(bào)器一起使用。該模型考慮了地球扁率的長期和周期性影響,以及太陽、月亮的引力作用、重力場諧振影響和阻力模型下的軌道衰減,能夠?qū)壍乐芷谛∮?25分的空間目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測,求解出目標(biāo)物體在任意時(shí)刻的位置和速度,仿真BDS星座的星下點(diǎn)軌跡圖如圖1所示[4]。

BDS衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡分布在55°N-55°S之間,其中白色實(shí)線為MEO衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡,GEO衛(wèi)星相對(duì)靜止于東南亞赤道上空,如“8”字形的是IGSO衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡,IGSO衛(wèi)星分布于兩個(gè)不同的軌道面[5-6]。

3 仿真對(duì)比分析

仿真時(shí)間為2016年9月2日0時(shí)-2016年9月3日0時(shí),共24 h,采樣間隔為300 s,按照3°×3°的分辨率劃分全球。設(shè)置截止衛(wèi)星高度角為5°,并約束衛(wèi)星天線輻射角度為46°,BDS三維星座仿真效果如圖2所示[9-10]。

通過STK對(duì)2015年3月至2016年9月的BDS衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,確定BDS系統(tǒng)在“一帶一路”沿線及周邊地區(qū)定位性能的變化情況,期間BDS衛(wèi)星運(yùn)行情況如表2所示。

表2 BDS衛(wèi)星運(yùn)行情況

3.1 定位性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

在進(jìn)行絕對(duì)定位時(shí),BDS的定位性能可以用最小可見衛(wèi)星數(shù)目、空間幾何精度因子(DOP值)以及定位誤差來評(píng)價(jià)。

3.1.1 最小可見衛(wèi)星數(shù)

可見衛(wèi)星數(shù)反映了BDS衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)能夠被觀測到的情況,若可見衛(wèi)星數(shù)不能達(dá)到4顆,將不能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位服務(wù),故取最小可見衛(wèi)星數(shù)作為定位性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。若最小可見衛(wèi)星數(shù)≥4顆,那么說明在該區(qū)域能夠全天候?qū)崿F(xiàn)定位,但若最小可見衛(wèi)星數(shù)目<4顆,說明在某些時(shí)刻并不能實(shí)現(xiàn)定位。

3.1.2 精度衰減因子

精度衰減因子(DOP)由接收機(jī)位置和衛(wèi)星的幾何形狀分布決定的,DOP值越小,代表的衛(wèi)星的空間幾何分布越合理和較高的定位精度概率;DOP值越大,則代表衛(wèi)星的空間幾何分布不合理與較低的定位精度概率。精度衰減因子包括幾何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、垂直精度因子(VDOP)和時(shí)間精度因子(TDOP),本文選取幾何精度因子(GDOP)作為定位性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

3.1.3 定位誤差

在進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航定位時(shí),定位誤差主要取決于接收機(jī)等效距離誤差與精度衰減因子(DOP),其關(guān)系可以用下式表示

δ=UERE×PDOP,

式中:δ為定位誤差;UERE為用戶等效距離誤差;PDOP為空間位置精度因子。等效距離誤差是根據(jù)衛(wèi)星至接收機(jī)路徑上的各種影響因素預(yù)測出偽距觀測量變化值,BDS用戶等效距離誤差如表3所示[8]。

表3 BDS用戶等效距離誤差

3.2 “一帶一路”沿線主要城市定位性能動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)對(duì)BDS星下點(diǎn)軌跡的初步分析,在“一帶一路”沿線選出50個(gè)具有代表性的城市作為觀測站,觀測站位置分布如圖3所示。

選取第17～23顆衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)的BDS星座結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,對(duì)50個(gè)觀測站的最小可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值以及定位精度進(jìn)行動(dòng)態(tài)覆蓋分析,仿真結(jié)果如圖4～圖7所示。

3.2.1 最小可見衛(wèi)星數(shù)動(dòng)態(tài)分析

從圖4可以知,當(dāng)BDS只有17顆衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),布爾格萊德、布加勒斯特、布拉格、華沙、基輔、明斯克、首爾、伊斯坦布爾等地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)均<4顆,此時(shí)BDS并不能提供導(dǎo)航定位服務(wù);而當(dāng)BDS有20顆運(yùn)行時(shí),觀測站的可見衛(wèi)星數(shù)均≥4顆,都可以實(shí)現(xiàn)定位,特別是第18、19、21顆MEO衛(wèi)星的運(yùn)行使得可見衛(wèi)星的范圍大幅增加;當(dāng)BDS有23顆衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),某些地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)目已經(jīng)能夠達(dá)到15顆,最少也能觀測到6顆,BDS的定位性能得到了大幅提升。

3.2.2GDOP值動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)圖5、圖6可知,只有17顆BDS衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),部分觀測站的GDOP值出現(xiàn)了極大值,這時(shí)的可見衛(wèi)星數(shù)<4顆,不能滿足導(dǎo)航定位的條件;第18、19、21顆MEO衛(wèi)星的運(yùn)行,使GDOP值大幅降低,但第20、22、23顆衛(wèi)星的運(yùn)行對(duì)GDOP值減小卻不明顯,說明MEO衛(wèi)星增加了BDS的覆蓋范圍,從而使定位精度大幅度提高,而GEO/IGSO衛(wèi)星對(duì)定位精度的提升則作用有限;當(dāng)BDS有23顆衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),各觀測站的GDOP值處在3～6之間,某些觀測站的GDOP值優(yōu)于3.0.同時(shí)注意到,第21顆、第22顆、第23顆衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),隨著可見衛(wèi)星數(shù)的增加,GDOP值減小的卻不顯著,定位精度并沒有提高,說明單純?cè)黾涌梢娦l(wèi)星數(shù)有時(shí)并不能提高定位精度。

3.2.3 定位誤差動(dòng)態(tài)分析

從圖7可知,隨著BDS衛(wèi)星數(shù)目的增加,各觀測站的定位誤差逐漸減小,定位誤差與GDOP值的變化趨勢(shì)完全一致。當(dāng)只有17顆BDS衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),某些觀測站的定位誤差出現(xiàn)了極大值,主要是可見衛(wèi)星數(shù)不足4顆,不能進(jìn)行定位。當(dāng)?shù)?8顆、19顆BDS衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),上述觀測站的定位精度大幅度提高,其在于MEO的運(yùn)行擴(kuò)大了BDS的覆蓋范圍,各觀測站的可見衛(wèi)星數(shù)得到了增加,已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)定位。第23顆BDS衛(wèi)星運(yùn)行時(shí),所有測站的定位誤差都穩(wěn)定在20 m左右,某些地區(qū)定位誤差優(yōu)于15 m.但是,第20～23顆BDS衛(wèi)星運(yùn)行對(duì)定位精度的提升并不明顯,說明單純通過增加可見衛(wèi)星數(shù)有時(shí)并不能提高定位精度。

3.3 “一帶一路”沿線定位性能動(dòng)態(tài)分析

選取17～23顆衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)的BDS星座結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,對(duì)“一帶一路”沿線總體范圍內(nèi)的最小可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值以及定位誤差進(jìn)行覆蓋分析。由于篇幅有限,僅將開始時(shí)的17顆衛(wèi)星與當(dāng)前23顆衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)的覆蓋情況展示出來,定位性能覆蓋情況如圖8～圖13所示。

3.3.1 可見衛(wèi)星數(shù)對(duì)比分析

由圖8、圖9對(duì)比可知,隨著BDS衛(wèi)星數(shù)目的增加,西亞與歐洲等地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)由3～4顆增長至7～8顆,中國大陸、東南亞、俄羅斯等地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到15顆左右;BDS系統(tǒng)的覆蓋范圍得到了增加,但北歐、北非、南非部分地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)仍少于4顆,BDS還不能實(shí)現(xiàn)定位。

3.3.2GDOP值對(duì)比分析

由圖10、圖11對(duì)比可知,隨著BDS衛(wèi)星數(shù)目的增加,“一帶一路”沿線的GDOP值都得到了相應(yīng)的減小。其中,西亞、中亞、東歐與北歐小部分地區(qū)的GDOP值減小的最為明顯,由7.0～8.0減小到4.0～5.0,中國大陸、東南亞、俄羅斯等地區(qū)的GDOP值已經(jīng)能夠達(dá)到3.0,但北歐部分地區(qū)的GDOP值仍然在9.0以上,定位效果并不理想。

3.3.3 定位精度對(duì)比分析

由圖12、圖13比較可知,BDS衛(wèi)星的運(yùn)行使得“一帶一路”沿線的定位誤差得到了大幅降低,定位誤差與GDOP值的變化基本保持一致;其中,北歐、東歐、西亞、中亞等地區(qū)的定位誤差由24 m以外降低至18～19 m,中國大陸、東南亞、南亞等地區(qū)的定位誤差能夠達(dá)到13 m以內(nèi);但部分北歐西部地區(qū)的定位誤差依仍然很大,隨著BDS衛(wèi)星數(shù)量的持續(xù)增加,BDS系統(tǒng)將逐步實(shí)現(xiàn)“一帶一路”沿線及周邊地區(qū)的全覆蓋。

4 結(jié)束語

1) 通過對(duì)單觀測站定位性能的覆蓋分析發(fā)現(xiàn),MEO衛(wèi)星相比GEO/IGSO衛(wèi)星的運(yùn)行對(duì)“一帶一路”區(qū)域定位精度的提升作用要大;同時(shí),隨著可見衛(wèi)星數(shù)量的增加,GDOP值與定位誤差開始減小,但當(dāng)可見衛(wèi)星數(shù)量達(dá)一定值時(shí),可見衛(wèi)星數(shù)雖然增加,GDOP值和定位誤差降低的并不明顯,定位精度并沒有得到提高,說明單純通過增加觀測衛(wèi)星數(shù)并不能完全提高定位精度;

2) 通過對(duì)“一帶一路”地區(qū)總體區(qū)域定位性能的覆蓋分析發(fā)現(xiàn),隨著BDS衛(wèi)星數(shù)量的增加,BDS的覆蓋范圍逐步增大,定位精度也逐漸提高,中國大陸、東南亞、南亞等地區(qū)的可見衛(wèi)星數(shù)達(dá)15顆,GDOP值達(dá)4.0,定位誤差達(dá)13 m以內(nèi),北歐、東歐、西亞、中亞大部分地區(qū)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)定位,定位誤差達(dá)18 m左右,BDS系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)“一帶一路”沿線地區(qū)的覆蓋;

3) BDS已經(jīng)能夠?qū)Α耙粠б宦贰毖鼐€及周邊提供導(dǎo)航定位服務(wù),中國大陸、東南亞、南亞等地區(qū)的定位精度較好,但北歐、東歐、西亞部分地區(qū)的定位精度仍然較差,隨著BDS衛(wèi)星的持續(xù)運(yùn)行,BDS終將實(shí)現(xiàn)對(duì)“一帶一路”沿線及周邊地區(qū)的覆蓋。

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′The Belt and Road′ Surrounding Areas BDS Dynamic Positioning Performance Analysis

XU Wei,GENG Jiawei,WANG Tao,LU Li,DU Wenxuan

(SchoolofGeodesyandGeomatics,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

In this paper, uses STK software for BDS global network constellation structure to sign the current structure of the simulation, the dynamic changes of the areas along “The Belt and Road” minimum visible satellite number,GDOPvalue, and the positioning precision of the positioning performance. The results show that, BDS has been able to cover most areas of “The Belt and Road”, China, Southeast Asia, South Asia and other regions of the positioning accuracy is better than 13meter,but the accuracy of positioning in small parts of Northern Europe, Eastern Europe and West Asia has yet to be improved. The GEO satellite over the GEO/IGSO satellite of “The Belt and Road” surrounding areas along the role to the improvement of the positioning accuracy. In addition, with the increase of the number of visible satellites, the GDOP value decreased gradually, but when the visible satellite number reaches a certain value, with the increase of the number of visible satellites, the GDOP value decrease is not significant, that means increasing the number of visible satellites is not certain can improve the positioning accuracy.

STK; ′the Belt and Road′ ; least visible satellite; GDOP value; positioning accuracy; dynamic change

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.005

2016-09-28

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41474026)

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0022-07

徐煒 (1992-),男,安徽蕪湖人,碩士生,主要研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航與數(shù)據(jù)處理。

耿加偉 (1992-),男,安徽蚌埠人,碩士生,主要研究方向?yàn)镚NSS車載導(dǎo)航與定位。

王濤 (1992-),男,安徽六安人,碩士生,主要研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航與數(shù)據(jù)處理。

盧禮 (1992-),男,安徽合肥人,碩士生,主要研究方向?yàn)?變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理。

杜文選 (1992-),男,安徽宿州人,碩士生,主要研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航與定位。

聯(lián)系人： 徐煒 E-mail:1157896096@qq.com