基于多GNSS系统的SSTO/GEO轨道导航性能评估| 庄学彬
Performance evaluation of multi-GNSSs navigation in super synchronous transfer orbit and geostationary earth orbit
Tao Shi, Xuebin Zhuang* and Liwei Xie
Satellite Navigation (2021) 2: 5
引用文章:
Shi, T., Zhuang, X. B. & Xie, L. W. Performance evaluation of multi-GNSSs navigation in super synchronous transfer orbit and geostationary earth orbit. Satell Navig 2, 5 (2021). https://doi.org/10.1186/s43020-021-00036-0.
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Editorial Summary
High orbit autonomous navigation: performance improvement brought by BDS-3
Autonomous navigation using leakage signal is the technology of receiving navigation satellite signals from the back ofthe earth, can provide long-lasting and high-precision autonomous navigation services for medium and high orbit spacecraft such as MEO and GEO. It can provide a feasible way for the expansion of GNSS services from ground and low orbit to medium or high orbit. With completed and started providing full-scale global services of the BeiDou-3 Navigation Satellite System, more than 120 satellitesin orbit will be able to provide navigation services in the world, which can significantly increase the number of navigation satellite signals from the back of the earth that can be received by medium and high orbit spacecraft and significantly improve the performance. In this paper, taking the launch process of SJ-20 satellite in December 2019 as an example, the performance evaluation of medium and high orbit spacecraft using multi-GNSS leakage signals is carried out, including the number of visible satellites, geometric dilution of precision, carrier to noise ratio, etc. The analysis results show that the unique satellite constellation of MEO + GEO + IGSO in BDS can significantly improve the performance of autonomous navigation using leakage signal of medium and high orbit spacecraft, including available time of positioning service and geometric dilution of precision, especially for medium and high orbit spacecraft which Sub-Satellite Point is outside the Asia-Pacific region. Due to the performance improvement brought by BDS-3, the technology of autonomous navigation using leakage signal has become one of the feasible schemes for autonomous navigation of all kinds of medium and high orbit spacecraft.
本文亮点
为了探究北斗三号全球卫星导航系统的投入使用对漏信号卫星导航的性能提升，本文以2019年12月CZ-5(Y3)运载火箭发射SJ-20卫星为例，开展了基于BDS、GPS、GLONASS、Galileo的多GNSS星座漏信号卫星导航性能仿真和评估。
针对SJ-20卫星发射过程中两种典型轨道（超同步转移轨道SSTO与地球同步轨道GEO），开展了漏信号卫星导航可见卫星数量、接收功率、多普勒和PDOP等性能仿真与分析。结果表明，北斗系统独有的MEO+GEO+IGSO卫星星座能够显著提升中高轨道航天器的漏信号卫星导航性能。
内容简介
漏信号卫星导航技术，即接收地球背面的卫星导航信号技术，能够为MEO、GEO等中高轨道航天器提供长时间高精度自主导航服务，为GNSS服务由地面和低轨向中高轨的拓展提供了可行途径。随着北斗三号全球卫星导航系统正式开通，全球能够提供导航服务的在轨卫星将超过120颗，能够显著增加中高轨道航天器可接收到的地球背面的导航卫星信号数量并显著改善性能。本文以2019年12月SJ-20卫星发射过程为例，开展中高轨道航天器利用多个导航星座漏信号导航性能评估，包括可见卫星数、几何精度因子、载噪比等。分析结果表明，北斗系统独有的MEO+GEO+IGSO卫星星座能够显著提升中高轨道航天器的漏信号卫星导航性能，包括可定位时间和几何精度因子，尤其是星下点处于亚太地区以外的中高轨道航天器。北斗三号全球导航系统的投入使用对漏信号卫星导航带来的性能提升，使得漏信号卫星导航技术成为各类中高轨道航天器自主导航的可行方案之一。
为了分析不同导航系统、星座构型对可见卫星数的影响，针对四种不同的星座组合进行了仿真计算。根据所得结果，由于其独有的星座构型（MEO+GEO+IGSO），北斗三号系统卫星的加入可以大幅度提升两种典型轨道下（SSTO和GEO）的可见卫星数量。
图 3 不同导航系统星座组合下可见卫星数分布 a SSTO; b GEO（星下点经度为0°）
II.载噪比对比
中高轨道航天器用户接收机载噪比主要取决于导航卫星发射功率与路径损耗。图4给出了所有可用信号的发射角、接收角概率分布图。结果表明，不论是对于GEO还是SSTO轨道用户，其信号发射角、接收角分布都较为集中。图5给出了所有可用信号的载噪比分布结果，由图可见北斗三号系统能够为中高轨道航天器用户接收机提供更高的载噪比。
图 4 所有可用信号（物理可见且C/N0 > 20 dB·Hz）的发射角与接收角分布,x轴代表Rx和Tx, 分辨率为1°, y轴为对应分布
III.位置几何精度因子PDOP
不同于地面用户以及低轨航天器，漏信号导航可见卫星数相对较少，几何形状较为单一，位置几何精度因子PDOP值均较大。因此漏信号导航精度主要受几何分布与可见卫星数影响，其次受各系统自身误差影响。图6给出了各类不同导航系统组合条件下的PDOP累积分布函数，可见北斗三号系统的GEO/IGSO卫星可有效改善典型中高轨道航天器的PDOP值。
作者简介
庄学彬 博士
中山大学
▍作者简介本文通讯作者2011年毕业于清华大学并获得博士学位，现为中山大学系统科学与工程学院院长助理、副教授、硕士生导师。主要从事无人系统导航技术、卫星导航抗干扰技术、低轨导航增强技术等方面的研究。发表学术论文十余篇，担任第十届中国卫星导航年会分会主席、中国指挥与控制学会空天安全平行系统专业委员会委员等学术兼职。
撰稿：庄学彬
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
校对：石涛
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