论文专区▏转发式卫星导航定位系统性能分析

【编者按】在介绍我国自主研发的利用通信卫星建立的转发式卫星导航定位系统组成、工作原理的基础上，利用STK软件从系统的几何精度因子、可见性和覆盖性三个方面，对该系统为我国及周边区域服务保障的性能进行了分析，结果表明该系统可以为我国领域及亚太地区提供高精度的导航、定位与授时服务，从而也推论该系统不仅可以作为北斗卫星导航定位系统的备份，还可以作为独立的系统自主工作，对保障国民经济与军事应用具有重要意义。本文发表在《海洋测绘》2016年第3期上，现编发给朋友们阅读了解。纪兵，男，1978年出生，江苏沭阳人，讲师，博士，主要从事卫星导航与水下导航研究。

文/纪兵 钟斌 边少锋

一、引言

当前卫星导航定位技术成为世界各国争相发展的高新技术领域，这主要是卫星导航在国民经济和军事领域都具有重要的战略作用。为了发展卫星导航定位系统，首先需要开展系列的试验验证，我国在研制北斗系统的过程中也建立了不同的试验验证系统，对空间信号的测试、星座的组建等方面的测试则是通过利用通信卫星建立的卫星导航试验验证系统，即转发式卫星导航系统（ZFS）来完成的，该系统的最大特色是通过租用或购买剩余寿命的方式获取通信卫星的使用权，满足了验证系统的需求，具有投入少、见效快的优点。而这种工作模式又不同于北斗一号系统，其用户端采取无源的工作模式，从军事应用角度讲该方式比北斗一号更有优势。另外，该系统不仅可以作为北斗系统的备份，而且可以独立运行为我国及周边地区提供高质量的导航、定位授时服务，该系统甚至可以与北斗系统兼容，可以组建由更多卫星构成的大星座系统^[1-3]。为此论文首先介绍了系统的概况，同时鉴于该系统目前仍然在建设发展之中，为此分析了系统的各项性能参数。

二、 ZFS的系统组成与工作原理 

⒈ 系统组成与其他卫星导航系统一样，ZFS系统也是由三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户终端组成，目前，ZFS的空间卫星星座由6颗GEO通信卫星和1颗IGSO试验卫星组成。通过租用的方式使用2颗GEO通信卫星上的2个C波段转发器，通过整星购买剩余寿命使用权的方式使用4颗GEO通信卫星上的C波段转发器和KU波段转发器，并通过倾轨的方式使这4颗GEO通信卫星成为小倾角同步轨道卫星。IGSO试验卫星共用北斗二代导航专项试验卫星工程中的I1-S卫星^[5-7]。卫星星座见图1。

 图1 ZFS的星座组成示意图地面控制管理部分主要包括地面卫星测控系统、ZFS卫星高精度测轨定轨系统、导航信号生成与发送监控分系统、地面通信中心站、时频基准、误差修正（含差分）和监测等分系统。用户终端包括各类用户接收机。通过采用伪码扩频技术和微波集成技术，可以实现接收机的小型化，满足各种途径的需求，实现导航、定位、授时、定姿、通信和救援等功能。⒉ 系统工作原理ZFS式通过通讯卫星上的转发器传输导航电文信息并完成测距。这时卫星转发器仍然作为空间位置基准使用，但由于同步通信卫星上没有导航用的高精度原子钟，导航所必需的产生时间和频率基准的高精度原子钟设置在地面站，卫星上没有专用的处理导航数据的导航计算机，只是充当“透明”的弯管式转发器，导航电文及授时信息等由地面导航台生成，经基带处理及调制后由天线发射到卫星，再由卫星上的转发器转发向用户广播。用户利用测距码和接收的导航电文，测得地面导航站经卫星至用户的伪距。同时，利用时间差和时间比对测量技术，测得卫星精确的空间位置，得到空间卫星的精密轨位和卫星至用户的伪距，建立ZFS卫星定位量测方程组，求这些方程组便可以得到用户的精确位置，其系统组成与信号流程见图2，具体工作原理可以参阅文献^[1]。

 图2 ZFS定位系统的工作原理示意图

三、导航定位性能分析

利用STK软件可以很好地分析卫星导航系统的可见性、覆盖性等性能指标，国内外许多学者开展了相关研究^[8-11]，对某一特定地点或区域的用户而言，卫星导航定位系统空间卫星几何精度因子GDOP值、对地面的覆盖性、可见性是衡量其导航定位性能的重要参数，为此选取我国典型区域分析这三个参数所能达到的水平，从而分析其在中国乃至亚太地区的可用性。作为对比，分析了ZFS、北斗以及ZFS与北斗联合三种情况下的性能参数。⒈ GDOP分析在测距误差为一定值的条件下，用户所在的观测点与卫星的几何图形不同时，定位误差的大小亦不同，在卫星导航领域观测点与卫星间的几何关系对定位误差影响的大小，用几何精度系数GDOP(Geometric Dilution of Precision)来表示^[3]。设用户坐标为局部切平面坐标系，记误差向量△＝﹙△x，△y，△z，△t_u﹚，并设各卫星伪距误差相等，互相独立，且具有零均值以及方差σ²，略去推导过程，并且为了使关系式规范化，将几何精度系数GDOP用测距等效误差为单位误差的方式表示，即：GDOP＝√σx²＋σx²＋σz²＋σt²        ⑴几何精度系数是一个直接影响定位精度、但又独立于观测值和其它误差之外的一个量。其值恒大于1，最大值可达10，其大小随时间和测站位置而变化，在GNSS测量中，希望GDOP越小越好。卫星导航系统的GDOP值的确定是针对某一特定观测点而言，为此本文选取了西安、拉萨、三亚、武汉、上海、哈尔滨、北京、乌鲁木齐等，分析了24小时之内的GDOP变化情况。结果表明，这些地区的GDOP值均在11左右，说明ZFS勉强可以导航定位，但效果不好，通过比分析得到：①低纬度地区的GDOP值要优于高纬度地区的GDOP值；②东部地区的GDOP值要优于西部地区的GDOP；③和经度相比，纬度对GDOP值的影响更大，纬度越低GDOP值越好。需要说明的是上述仿真结果是在基于GEO卫星轨道倾角为0°的最差条件下得到的，实际情况是ZFS系统在获得通信卫星使用权后，对部分卫星的倾角进行了调整，使之变轨为小倾角卫星，而计算分析表明，即使是很小的倾角，只要打破星座内卫星共面的不良状态，对星座的GDOP值是有很大改善的。同时为了增强说明性，本文对比分析了单ZFS、单BDS与ZFS联合BDS情况下的GDOP的分布情况。见表1。表1 不同地区ZFS、BDS及联合模式的GDOP分布情况

	武汉	北京	上海
ZFS	11.48	13.86	11.47
BDS	2.42	2.66	2.57
BDS+ZFS	2.01	2.06	2.02

结果表明，双系统联合的模式，由于增加了卫星的数量，对空间星座的几何构型有很好的改进，因而组合模式改善了GDOP值，这也符合当前卫星导航组合应用的发展趋势。⒉ 可见性分析在卫星导航领域的研究中，卫星可见性问题也是一个重要的基础问题。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。论文利用STK软件对ZFS的6个地面站分别进行了可见性仿真分析，图3为其中一个地面站，武汉地区的仿真结果图：

图3 武汉地区可见性分析图其统计规律总结如下：无论是高纬度地区还是低纬度地区，我国版图内基本都能全天候保持4颗以上的卫星可见数，满足被动定位的要求。低纬度地区可见性最优，如三亚地区卫星可见数基本保持在7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。从而得出总体规律如下，当前ZFS能够较好覆盖中国及周边地区，实现基本的定位功能。⒊ 覆盖性分析覆盖性是衡量导航卫星为区域服务能力的重要参数，也是卫星导航系统设计时需要重点考虑的问题，为此本文基于STK软件分析了ZFS的覆盖性能。略去分析过程的阐述，得到如图4和表2所示的仿真结果。从中可以看出，ZFS实现了对中国区域的完全覆盖，亦即中国乃至周边地区的用户可以接收到该系统的信号。

 图4  ZFS对中国区域的覆盖性分析（4颗以上卫星）表2  ZFS覆盖性统计分析     单位：（％）

	最小覆盖率	最大覆盖率	平均覆盖率
全球范围	40.48%	42.04%	41.04%
中国区域	100%	100%	100%

⒋ 仿真分析结果由仿真分析可以得出，ZFS的基本导航定位性能为：①ZFS完全满足中国地区的定位条件，在不同的时间段，每个站点至少可观测到四颗星，满足求解定位方程的基本条件。②ZFS对中国区域可达到100%，由于卫星分布的原因，对全球的覆盖率可达到40%左右。③定位精度随纬度的增加而逐渐降低。

四、结束语

论文针对转发式卫星导航定位系统分析了它对不同地区的GDOP分布情况、不同区域的可见性情况以及对我国疆域的总体覆盖性情况进行了分析，从而探究了该系统的导航定位性能。从计算分析看，该系统可以对我国实现100%的覆盖，因而我国及周边地区可以确保有至少4颗以上卫星可见，满足无源定位的基本要求；但是由于卫星星座中大部分卫星存在共面的不利因素，因而GDOP值呈现出随纬度增加而增大的情形，东部地区的GDOP要小于西部的特性，总体而言该系统可作为独立系统为我国及周边用户提供服务，实现较高精度的导航、定位和授时服务。

参考文献：[1]施浒立,孙希延,李志刚著.转发式卫星导航原理[M].第一版.北京:科学出版社,2009.[2]马利华,张丽荣,韩延本,乔琪源.利用两颗退役同步轨道卫星优化中国区域定位系统导航性能的分析[J]. 全球定位系统,2011年第1期:13-17.[3]边少锋,李文魁.卫星导航系统概论[M].北京:电子工业出版社,2005. [4]韩延本,马利华,乔琪源等.退役GEO通信卫星对改善CAPS系统PDOP的作用[J].中国科学（G辑）:物理学 力学 天文学,2008,38（12）:1738-1749.[5]韩延本,马利华,乔琪源,等.中国区域卫星定位系统星座布局的选择[J].中国科学G辑:物理学力学天文学,2008,38（12）:1671-1686.[6]纪元法,孙希延.中国区域定位系统的定位精度分析[J].中国科学G辑:物理学力学天文学,2008,38（12）:1812-1817.[7]李志刚,杨旭海,施浒立,等.转发式卫星轨道测定新方法[J].中国科学（G辑）:物理学 力学 天文学,2008,38（12）:1711-1722.[8]张海忠,刘雪瑞,盖鹏飞,等.基于STK的北斗区域系统GDOP仿真分析[J].海洋测绘,2013,33（5）:31-32.[9]高晋宁,方源敏,杨展艺,等.基于STK的GLONASS系统与GPSDOP值的仿真分析[J].科学技术与工程,2011,11(15):3384-3392.[10]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.[11]张海忠,刘雪瑞,盖鹏飞,等.基于STK的北斗区域系统GDOP仿真分析[J].海洋测绘,2013,33(5):31-33.[12]陈坡,孙付平,韩雪峰,等.北斗卫星导航系统定位精度分析[J].海洋测绘,2013,33（5）:34-37.

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