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基于STK的完整北斗卫星导航系统仿真分析


2015-04-14

  [摘要]基于北斗卫星导航系统的空间信号接口控制文件提供的卫星轨道参数,利用STK软件建立完整的北斗卫星导航系统的星座。分别模拟在北京、三亚、赫尔辛基、华盛顿、堪培拉建立地面站,分析完整的北斗系统在以上五个城市在可见卫星数、GDOP值和导航精度上的差异。

  [关键字]北斗 STK 全球卫星 导航系统 仿真
  [中图分类号] TN967.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2013)-4-115-2
  0引言
  我国的北斗卫星导航系统(BDS)是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个进入正式商用服务的全球卫星导航系统,加上欧盟正在建设的GALILEO系统,构建了当前全球四大卫星导航系统的格局。北斗卫星导航系统作为我国自主研制的卫星导航系统,历经二十年的发展,正在逐渐走向成熟。2012年12月27日,中国卫星导航系统管理办公室公布了北斗系统的空间信号接口控制文件,北斗系统开始正式为中国及周边地区提供导航、定位和授时服务,同时北斗系统还具有独有的短报文通信功能[1]。北斗卫星导航系统的投入运行,使我国摆脱了对GPS系统的严重依赖,为国民经济建设和国防安全提供了又一有力的保障。
  目前北斗卫星导航系统在轨工作的卫星有14颗,其中5颗地球静止轨道卫星(GEO)、5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和4颗中圆地球轨道(MEO)卫星[1]。未来完整的北斗卫星将由35颗卫星组成,预计在2020年左右全面建成,届时可以为全球用户提供导航、定位、授时和短报文通信服务。
  为了充分研究完整的北斗卫星导航系统在全球的导航性能,本文利用STK软件的卫星模拟分析功能,根据已经公布的北斗导航卫星的轨道参数,对未来完整的北斗卫星导航系统进行仿真分析。分别在我国的北京和三亚、芬兰首都赫尔辛基、美国华盛顿、澳大利亚堪培拉设置地面站。这几个城市基本涵盖了地球上南北半球、东西半球以及高低纬度的地区,具有一定的代表性。利用STK仿真的完整北斗卫星导航系统分别对上述地区的可见卫星数、GDOP(几何精度衰减因子)值和导航精度进行对比分析。
  1 STK软件简介
  STK(satellite tool kit)软件是一款由美国Analytical Graphics公司研发的功能全面的仿真软件[2]。STK能在二维或三维地图上显示目标对象,例如各类卫星、飞机、地面车辆、地面接收站等,同时可以对目标进行三维可视化。它的核心功能是根据目标参数生成位置和姿态数据,并且能对目标进行可视化分析。STK可以根据需要提供众多的专业模型以及逼真的仿真场景,同时能自定义地生成卫星轨道和星座、覆盖区域等,并能对这些目标添加所需的约束条件。除此之外,它还具有强大的卫星及地图数据库,对各类坐标系统和时间系统都能有效的支持。STK软件在具有仿真及分析的强大能力之外,对于计算结果的输出也是多样化的,用户可以根据自己的需要来生成各类文字及图表报告[3-4]。
  2完整北斗导航系统的仿真分析
  2.1完整北斗系统建立
  完整的北斗系统空间星座由5颗地球静止轨道(GEO)卫星、27颗中圆地球轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。GEO卫星轨道高度35786千米,分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°;MEO卫星轨道高度21528千米,轨道倾角55°,分布在三个轨道面上,每个轨道面上有9颗卫星;IGSO卫星轨道高度35786千米,分布在三个轨道面上,轨道倾角55°[5]。仿真时间2013年1月6日04:00到2013年1月7日04:00,共24小时。卫星轨道参数设置:①长半轴为5颗GEO和3颗IGSO卫星均为42164.14km,27颗MEO为27906.14km;②轨道偏心率为0;③轨道倾角为IGSO卫星轨道和MEO卫星轨道均为55°;④升交点赤经为IGSO卫星三个轨道面分别为0°、120°、240°、MEO卫星三个轨道面分别为60°、180°、300°;⑤平近点角为IGSO卫星在三个轨道上初始时刻平近点角为0°、15°、30°。MEO卫星在三个轨道面上初始时刻的第一颗卫星平近点角为0°、15°、30°,后面每颗卫星依次增加40°。
  2.2地面站的建立
  考虑到完整的北斗系统未来将要为全球用户提供服务,所以选取全球不同地区的五个城市作为地面站的设置地点,这个五个城市分布在不同地区的高低纬度地区以及南北半球。分别是中国的北京(39.90°N,116.41°E)和三亚(18.25°N,109.51°E),芬兰的赫尔辛基(60.17°N,24.94°E),美国的华盛顿(38.89°N,77.04°W),澳大利亚的堪培拉(35.31°S,149.12°E)。地面站的高程均设置为100m,高度截止角为10°。
  2.3仿真分析
  对于导航定位用户来说,精度是首先要考虑的一个因素。而DOP(精度衰减因子)是决定精度的一个重要指标,GDOP(几何精度衰减因子)是 DOP中的一种,表示卫星在空间中的几何分布情况[6]。利用STK建立的北斗导航卫星星座以及地面站,分别对北斗系统在上述五个城市的可见卫星数、GDOP值及导航精度进行分析。图1~3为仿真时段内不同城市的各项数值连续变化情况。
  (1)从可见卫星的仿真结果来看,北斗系统在国内北京和三亚的可将卫星数量不论是最小值还是最大值都要大于国外的三个城市,尤其是在美国的华盛顿,某些时段甚至仅能接受到导航最低要求的4颗卫星,其次是芬兰的赫尔辛基最小可见卫星数也仅有四颗。各城市可见卫星数的最小值、最大值、平均值以及标准差如表1所示。
  (2)北斗系统在五个城市可见卫星的数量直接影响到了GDOP值,从图2可见,在北京和三亚,仿真时段内的GDOP值变化比较平稳,两个国内城市的GDOP值整体要小于国外的三个城市。赫尔辛基、华盛顿、堪培拉三个城市的GDOP值,在某些时段显著地增加,变化趋势非常不平稳,详细数值如表2所示。
  (3)从导航精度的仿真数据来看,北斗卫星导航系统的导航精度在这五个城市是能达到10m左右的设计要求的。尤其是在国内,北京的平均8.67m和三亚的平均8.42m均优于设计要求。而在国外三个城市中,除了华盛顿平均精度13.31m之外,赫尔辛基和堪培拉都在10m左右。各城市导航精度详细数据如表3。
  (4)通过对仿真数据的分析可以发现,由于北斗系统组网卫星的特点(5颗GEO卫星定点于东半球),其在东半球的城市(北京、三亚、赫尔辛基)的可见卫星数、GDOP值及导航精度都要优于西半球的城市(华盛顿);北京和三亚两个低纬度地区的城市可见卫星、GDOP值和导航精度又要优于位于高纬度地区的赫尔辛基;国内两个城市北京和三亚各项数值都优于国外的三个城市,并且在数值的稳定性方面具有非常大的优势。
  3小结
  本文利用STK软件对未来完整的北斗卫星导航系统进行仿真,对位于五个不同城市的地面站进行可见卫星数、GDOP值和导航精度进行分析。可以发现北斗卫星导航系统在五个城市导航精度的差异及稳定性有比较明显的不同,特别是在国内的导航具有很大的优势。北斗卫星导航系统作为全球性的卫星导航系统,需要加强其在高纬度地区及西半球城市的导航能力。
  参考文献
  [1] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件[R]. 2012.
  [2] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报,2010,39:1-6
  [3] 田八林,袁建平,岳晓奎.基于STK的GPS空间覆盖特性仿真分析[J].计算机仿真,2008,25(6):46-49.
  [4] 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.
  [5] 杨颖,王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京:国防工业出版社,2005.
  [6] Adam Gorski, Greg Gerten. GNSS Performance Possibilities [M]. AnalyticalGraphics -INC(AGI), 2007.


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