張利偉 王茂磊 高楊

摘要：選取國內(nèi)微厘空間低軌星座，通過分析低軌星座和GPS星座高低軌聯(lián)合導(dǎo)航定位情況下衛(wèi)星可見數(shù)變化、DOP值改善和落地電平大小，深入研究了低軌導(dǎo)航衛(wèi)星星座對當(dāng)前GPS導(dǎo)航衛(wèi)星星座服務(wù)性能的增強(qiáng)效果。仿真分析表明，低軌衛(wèi)星星座可對GPS星座導(dǎo)航服務(wù)性能實(shí)現(xiàn)約36%以上的增強(qiáng)，衛(wèi)星可見數(shù)提高了約10倍；在信號方面，相同發(fā)射功率下落地電平可以提高約25 dB。

關(guān)鍵詞：低軌；GPS；導(dǎo)航；STK；DOP

中圖分類號：P228.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2023）05-57-5

0引言

當(dāng)前全球共有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，成為了世界各國生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的一環(huán)。但在定位精度要求更高的自動駕駛、無人機(jī)編隊(duì)匯演等新興領(lǐng)域，傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已無法滿足用戶的需求，還存在落地電平低易受干擾、初次定位速度慢、戰(zhàn)時(shí)星座受損遭毀情況下衛(wèi)星補(bǔ)充速度慢等不足。以美國“星鏈”為代表的低軌巨型星座在世界范圍內(nèi)掀起了建設(shè)低軌衛(wèi)星的熱潮，具有星座彈性能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]，2021年加州大學(xué)基于多普勒定位原理實(shí)現(xiàn)了水平誤差10 m、空間誤差22.9 m的定位，驗(yàn)證了低軌衛(wèi)星通信信號用于導(dǎo)航的可行性。

國內(nèi)眾多公司也開始謀劃布局低軌星座，其中較為知名的有“鴻雁”通信星座、“虹云工程”、“微厘空間”星座[2]。未來低軌星座融合衛(wèi)星導(dǎo)航將是導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢，具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?。鑒于當(dāng)前沒有成熟的低軌系統(tǒng)，無法實(shí)際驗(yàn)證分析低軌星座融合衛(wèi)星導(dǎo)航的服務(wù)性能，其中微厘空間星座于近期還在陸續(xù)發(fā)射新的衛(wèi)星，因此選擇微厘空間星座作為對象，分析低軌星座對衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)性能的增強(qiáng)效果。導(dǎo)航衛(wèi)星星座中GPS應(yīng)用最為廣泛、服務(wù)時(shí)間最長，因此選擇其作為分析對象。

1 GPS星座和微厘空間低軌星座

通過STK軟件（11.2版本）對GPS星座和微厘空間低軌星座進(jìn)行了仿真，不考慮高度截止角和低軌衛(wèi)星波束角，GPS完整星座為Walker24/6/1，軌道高度約為20 200 km。其中微厘空間星座由傾斜軌道子星座Walker120/12/1和近極地軌道子星座Walker30/3/1兩種星座混合而成，低軌衛(wèi)星星座參數(shù)如表1所示[3]。

2仿真分析

3仿真結(jié)果

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航具有全天時(shí)、全天候的優(yōu)點(diǎn)，同樣也存在脆弱性、落地電平低、衛(wèi)星數(shù)量少、冗余量低，且用戶易受干擾，空間段在損失若干衛(wèi)星后將嚴(yán)重制約全球?qū)Ш侥芰Φ纳伞５蛙壭亲鶖?shù)量龐大、發(fā)射成本低、補(bǔ)網(wǎng)速度快，可以彌補(bǔ)目前GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的缺點(diǎn)。從全GPS星座聯(lián)合微厘空間星座、部分GPS衛(wèi)星聯(lián)合微厘空間星座、僅微厘空間星座共3個(gè)場景分析低軌衛(wèi)星星座對GPS星座的增強(qiáng)效果，最后對信號強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1微厘空間星座聯(lián)合全GPS星座服務(wù)性能

在日常條件下，可聯(lián)合GPS星座、微厘空間星座為用戶提供導(dǎo)航定位服務(wù)，為部分重點(diǎn)用戶提供高強(qiáng)度信號的服務(wù)。

3.1.1衛(wèi)星可見數(shù)

GPS星座采用STK軟件默認(rèn)的星座，共31顆衛(wèi)星，分布在6個(gè)軌道面，地面最低可視角度為0°。接收機(jī)最少需要同時(shí)可視4顆衛(wèi)星才能完成定位解算，衛(wèi)星數(shù)量越多，接收機(jī)可選擇用于定位的衛(wèi)星就越多，多余觀測數(shù)越多，還可以剔除某些觀測角度不好的衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)更好的定位效果。通過仿真分析推算了不同緯度下GPS可見數(shù)的改善情況，仿真表明低緯度增加的衛(wèi)星數(shù)量最少約8顆，中高緯度內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)增加較多約為11顆，GPS星座聯(lián)合微厘空間星座不同緯度的衛(wèi)星可見數(shù)如圖1和表2所示。

3.1.2 DOP值

全球平均DOP值由1.53改善為0.975，提高了36.3%，南北緯40°～60°區(qū)間定位性能最好。根據(jù)式（1），可以得出在用戶等效距離誤差不變的情況下，定位精度可以提高約36%，GPS星座和微厘空間星座聯(lián)合下DOP值隨緯度的變化情況如圖2所示。

3.2低軌星座聯(lián)合部分GPS衛(wèi)星服務(wù)性能

GPS星座由6個(gè)軌道面組成，每個(gè)軌道面4顆衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)全球任意區(qū)域的導(dǎo)航信號增強(qiáng)，但是衛(wèi)星數(shù)量較少，在損失若干衛(wèi)星后其全天時(shí)的導(dǎo)航能力將失能。按照每個(gè)軌道面分別保留3顆或2顆衛(wèi)星分析其定位性能，以及加入低軌星座后的改善程度。

3.2.1衛(wèi)星可見數(shù)

GPS星座的每個(gè)軌道面保留3顆衛(wèi)星，經(jīng)仿真全球范圍內(nèi)衛(wèi)星可見數(shù)為9.45顆。加入低軌星座后，衛(wèi)星可見數(shù)為17.6顆。每個(gè)軌道面3顆GPS衛(wèi)星和微厘空間星座衛(wèi)星可見數(shù)如表3和圖3所示。

GPS星座的每個(gè)軌道面保留2顆衛(wèi)星，經(jīng)仿真全球范圍內(nèi)衛(wèi)星可見數(shù)平均值為4.5顆。加入低軌星座后，衛(wèi)星可見數(shù)為15顆。每個(gè)軌道面2顆GPS衛(wèi)星和微厘空間星座衛(wèi)星可見數(shù)如表4和圖4所示。

3.2.2 DOP值

GPS星座每個(gè)軌道面有3顆衛(wèi)星的情況下，經(jīng)仿真計(jì)算，其全球DOP值平均為2.6。加入低軌衛(wèi)星后全球DOP值平均為1.12，提高了132%，相較于僅GPS完整星座提高了26.7%。圖5為保留3顆衛(wèi)星的GPS星座全球DOP值仿真結(jié)果，圖6為加入低軌星座后的仿真結(jié)果，仿真表明每個(gè)軌道在損失1顆衛(wèi)星的情況下，其定位性能下降了70%。

GPS星座每個(gè)軌道面有2顆衛(wèi)星的情況下，經(jīng)仿真計(jì)算，其全球DOP值平均為9.9。加入低軌衛(wèi)星后全球DOP值平均為1.26，相較于僅GPS完整星座提高了17.6%。圖7為保留2顆衛(wèi)星的GPS星座全球DOP值仿真結(jié)果，圖8每個(gè)軌道面2顆GPS衛(wèi)星和微厘空間星座衛(wèi)星DOP值。

3.3僅低軌星座服務(wù)性能

3.3.1衛(wèi)星可見數(shù)

考慮到GPS星座受損的極限情況，下面分析了僅低軌星座的定位性能。經(jīng)仿真分析，低軌星座全球范圍內(nèi)可見數(shù)平均值為10.36顆，微厘空間衛(wèi)星可見數(shù)如表5和圖9所示。

3.3.2 DOP值

在低軌星座的單獨(dú)支撐下，同樣具備全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰?，?jīng)仿真計(jì)算，平均DOP值為2.12，如圖10和圖11所示。

以軌道高度代表衛(wèi)星與用戶之間的距離，粗略計(jì)算在GPS L2導(dǎo)航信號頻率下GPS衛(wèi)星空間損耗和低軌衛(wèi)星損耗。其中GPS衛(wèi)星軌道高度為20 200 km，L2信號頻率為1.228 GHz。經(jīng)計(jì)算GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號空間損耗為120.33 dB，微厘空間傾斜軌道衛(wèi)星導(dǎo)航信號空間損耗為94.01 dB，微厘空間近極軌道衛(wèi)星導(dǎo)航信號空間損耗為95.81 dB?？梢缘贸鲈谛l(wèi)星發(fā)射功率相同的情況下，微厘空間的落地電平相較于GPS衛(wèi)星高了約25 dB。較大的落地電平將對原有的GPS導(dǎo)航信號產(chǎn)生不可忽視的同頻干擾。

GPS星座和低軌導(dǎo)航星座的聯(lián)合定位必須要解決大小信號的問題，在GPS衛(wèi)星信號強(qiáng)度保持不變的情況下，需要降低低軌衛(wèi)星的發(fā)射功率來降低對GPS衛(wèi)星信號的影響，由于C/A碼具有25 dB抗干擾能力[5]，因此低軌衛(wèi)星的導(dǎo)航信號在相同發(fā)射功率下將對GPS本身信號產(chǎn)生不可接受的干擾，影響GPS和低軌導(dǎo)航的聯(lián)合使用。GPSIII衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)約20 dB的信號增強(qiáng)[6]，當(dāng)GPS衛(wèi)星發(fā)射功率最大時(shí)，低軌衛(wèi)星也需要進(jìn)行相應(yīng)的功率調(diào)整，在聯(lián)合運(yùn)維的情況下，高低軌衛(wèi)星落地信號強(qiáng)度應(yīng)保持高低軌落地電平值小于25 dB值，最好是達(dá)到同等的落地電平值，實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星和低軌導(dǎo)航衛(wèi)星之間的兼容互操作以及全球范圍內(nèi)高低軌衛(wèi)星導(dǎo)航信號協(xié)同增強(qiáng)更好地服務(wù)重要用戶。

4結(jié)束語

本文基于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航星座和微厘空間星座，通過對不同場景下GPS星座聯(lián)合低軌星座的定位性能進(jìn)行分析仿真，結(jié)果表明，其定位性能相較于僅完整的GPS星座約有17.6%～36.3%的提升，最后分析了落地電平的互擾情況，分析表明相同衛(wèi)星發(fā)射功率下低軌落地信號強(qiáng)度提升約25 dB，將對GPS衛(wèi)星信號產(chǎn)生不可接受的影響，在聯(lián)合運(yùn)維過程中需要配合協(xié)同，使落地電平差值保持在較小水平。

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