GNSS星座覆盖以及导航定位性能评估分析
GNSS星座覆盖以及导航定位性能评估分析
韩婷婷 史弦 等
摘要：本文考虑了GNSS系统中的GPS、GLONASS、Galileo、北斗系统，利用STK对其可覆盖性能以及导航定位性能进行了评估分析，并且比较各个系统星座设计特点，以及未来GNSS系统的最佳利用。
关键词：GNSS 系统覆盖 导航定位 星座设计
1 概述
GNSS(Global Navigation Satellite System)全球导航卫星系统，是所有在轨工作的卫星导航系统的总称。目前主要包揽GPS卫星全球定位系统、GLONASS全球导航卫星系统、在建的Galileo卫星导航定位系统、区域性导航系统北斗卫星导航系统、PRARE精确距离及其变率测量系统、DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统以及QZSS准天顶卫星系统等等。GNSS系统中包括了众多卫星，如何更有效利用以上各个系统，提高系统的精度、可靠性及安全性是GNSS系统发展有待考虑的问题。本文讨论包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗卫星导航系统等在内的综合星座系统，利用STK对GNSS系统中的卫星进行评估分析，讨论其覆盖、导航定位性能，并比较星座设计特点，提出有效利用GNSS系统的最佳星座组合。
2 STK简单介绍
在航大任务研制过程中，需要人量的相关领域的科学计算，对卫星运行轨道的仿真研究非常普遍，美国AG!公司开发的卫星仿真：1：具包软件STK(SatelliteTool Kit)是不可多得的航天辅助工具，可快速方便的分析复杂的陆海空天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，确定最佳解决方案，产生位置和姿态数据，获取时间遥感器覆盖分析等。本文利崩STK对GNSS系统进行星座设计评估，主要运用了STK的以下功能：分析能力、可见性分析、传感器分析、可视化结果、以及提供详细的数据报告。3卫星导航星座的性能指标
对导航星库而言，系统所提供的定位儿何是影响导航精度的一个重要冈素。一般导航系统的定位儿何可以用精度因子DOP(Dilution of Position)值来描述，定义为用户等效距离误差UERE(User Equivalent Range Error)到最终定位误差或定时误差的放大系数，它反映了观测源几何位置对定位误差的影响。
一般要求其DOP均最大值小于5．0为性能良好的导航卫星，否则开发潜力不大。此外，导航精度的概念与DOP相似，但它除了考虑卫星的几何分布以外，还考虑了单程测距方法本身的不准确性。本文主要考虑GNSS系统的GDOP值来评估其导航定位性能。
4 GNSS系统相关参数
GNSS系统GPS、GLONASS、Galileo以及北斗卫星导航系统(北斗-1与北斗-2)星座参数如表2与表3。
如图1，GNSS系统中相关卫星的轨道分布。
5 GNSS系统星座性能分析
5.1 覆盖性能
利用STK对GNSS系统中所构成的星座对中国地区与全球范围在一个周期内覆盖资源参数的平均值进行分析。
5.2 卫星导航几何因子DOP
利用STK软件分别对GNSS系统中(GPS、GLONASS、Galileo)在全球区域中卫星导航几何因子分析，GPS的GDOP平均值在低纬地区为1.6，中纬地区为1.8，在高纬地区的GDOP平均值为2.5左右。GLONASS系统的GDOP平均值在中纬和高纬地区为1.8-2.0左右，在低纬地区平均值为1.6左右。Galileo系统的GDOP平均值在低纬和高纬地区为1.1，在中纬地区为1.5。
5.3 导航精度
利用STK对GNSS系统中GPS、GLONASS、Galileo在全球区域中卫旱导航精度进行分析。由图5可知．GPS系统的导航精度在极地地区的导航精度为10米，高纬和低纬地区为8m左右，中纬地区为10m左右。由图6可知，GLONASS系统的导航精度在低纬和高纬以及极地区域为8米，在中纬地区为10米左右。图7为Galileo系统的导航精度示意图，导航精度在高纬与低纬区域为8米，在极地与中纬域为10m左右。
以上是各系统对全球区域的分析情况，我们更关注对于中国地区，各系统的DOP因子平均值与导航精度平均值。同理，利用STK进行分析，结果如表5。
GPS、GLONASS、Galileo，定位精度优秀，导航精度不超过10米。对于北斗-2定位精度好，导航精度在20米左右，满足一定的导航定位要求。
5.4 小结
对于覆盖性能，GPS、GLONASS、Galileo、北斗-2满足在相应服务区内可以同时看到4颗卫星，符合定位资源数要求。GLONASS较GPS在高纬地区有优势，在全球区域内Galileo覆盖资源数最佳。对于中国地区的覆盖资源数利用，北斗-2性能最佳。对于全球区域的定位精度，Galileo定位结果较GLONASS与GPS好，GLONASS在高纬地区比GPS有定位优势。GPS、GLONASS、Galileo三者的导航精度都不超过10m，对于不同区域导航精度在8到10m不等。对于中国地区，GPS、GLONASS、Galileo DOP因子小于2，定位精度优秀，导航精度不超过10米。对于北斗-2定位精度好，导航精度在20米左右，满足一定的导航定位要求。因此，在全球区域的导航卫星系统GPS、GLONASS、Galileo中，综合考虑，Galileo较其他二者好。对于北斗-2，在中国区域覆盖性能较好，而定位与导航精度没有全球区域导航卫星系统有优势。
6星座评估比较
6.1 比较GPS、GLONASS、GaI i Ieo导航定位性能
1、相关轨道参数比较
轨道倾角是决定覆盖的纬度分布， 轨道倾角较大的GLONASS在高纬度(50度以上)地区覆盖性能较好，且在同等条件下，对高纬地区的覆盖资源数明显高于其他系统。Galileo卫星轨道倾角比GPS卫星倾角55度略高些，相对GPS有利于覆盖更高纬度地区。
GPS、GLONASS、Galileo均采用MEO轨道，周期为十几个小时，大气阻力影响可忽略，轨道相对较稳定，卫星地面覆盖范围较大。轨道高度越高，地面覆盖范围越大，地面分辨率越差，卫星可见时间越长，轨道寿命长，测轨精度较高。Galileo卫星高度比GPS 卫星的高度(20200km)要高出17%左右，Galileo卫星对地面覆盖更好；对于高纬地区，GLONASS覆盖较好，对于全球综合考虑，Galileo较GPS与GLONASS好。
轨道平面数，是影响星座灵活性、覆盖性能台阶、发展和降级的重要因素，基于以最少的轨道平面满足覆盖性能的要求，来设计星庳。具有一个或两个轨道平面的星库响应用户需求变化的能力比多轨道面星座要好。在星座升降过程中，需要调整卫星在星座中的相位，而在不同轨道面之间机动卫星所需的推进剂大大多于在一个轨道平面内的机动卫星所需的推进剂。因此，具有三个轨道平面的GLoNASS与Galileo系统要比具有六个轨道平面的GPS系统的星座性能更好些。并且考虑到覆盖资源数，GLoNASS与Galileo对全球范围的平均覆盖资源数明显大于GPS系统，则从轨道平面数比较来看，GLONASS与Galileo比GPS性能优越。
2、卫星的分布方式比较
GLONASS与Galileo系统中卫星采用Walker星座设置，其各卫星所受长期摄动影响的主要部分相同，使星座的相对几何结构保持不变，便于星座的维持，对全球连续覆盖，且覆盖相对较为均匀。其覆盖性能比GPS星座好。GPS星座其每一轨道面上卫星之间的相位关系并不相同，在同一轨道上，卫星并不是均匀分布的，然而GPS星座非均匀分布方式是基于当两种星座中同时有两颗卫星失效时即星座出现降级运行情况时，GPS星座尚能保证全球四重连续覆盖，而GLONASS与Galileo系统仅能保证全球任何地区连续两重覆盖。可见，从这方面可以得出GPS星座覆盖性能大大优于GLONASS星座。因此GPS星座为了系统的稳定性，牺牲了一部分覆盖性能，却保证了系统的可靠运行。
3、卫星数目比较
卫星数目是决定成本和覆盖的主要因素，一般选择最少的卫星满足覆盖和性能台阶的要求。GPS系统由24颗卫星组成，GLONASS系统由24颗卫星组成，Galileo系统由30颗卫星组成，这些是全球性质的导航卫星系统。对于Galileo系统，卫星数较前两者多，且卫星均匀分布，当系统处于完整状态下，在相同纬度上，Galileo系统的卫星出现概率要比GPS与GLONASS系统高。而在不同的纬度下，Galileo系统的DOP值要比GPS与GLONASS系统低；在不同测站纬度下，Galileo系统的可观测卫星数比GPS与GLONASS系统高。同时Galileo的精度因子在各纬度普遍较低，完好性功能比较完善。Galileo星座卫星数目与目前在轨的GPS卫星数量基本相当，但部分GPS卫星存在健康状况不佳等问题，因而实际有效的GPS卫星数目会小于GALILEO的卫星数。故对于全球导航卫星系统中，GNSS系统中Galileo星座的导航定位性能相对较GPS与GLoNASS好。
6.2 北斗-2导航定位性能
区域导航系统与全球导航系统有所不同，其设计难度更大，所要考虑的问题更多。卫星轨道就不一定选择圆形轨道，轨道面和卫星也不一定晕均匀分布。对于我国的区域导航系统——北斗导航卫星系统，现有的系统北斗-1只满足对于中国地区的覆盖与定位导航的要求，且精度与GPS、GLONASS等全球性导航定位系统比不高。根据现有资料，未来建成的北斗-2提供开放服务和授权服务两种服务方式，可为中国地区内用户提供全大候、高精度、快速实时的定位服务，其定位精度优于20米，定位可在一秒内完成，可对中国以及周边国家区域提供优越的覆盖和导航定位性能。
区域导航系统强调的是对指定区域的连续覆盖，而对非指定区域的覆盖麻尽可能小，这样有利提高卫星利用率。由图8可知北斗-2对我国以及我国周边地区的导航精度为20米左右，DOP因子在3.71左右，资源覆盖数有7颗左右，满足对于我国以及周边地区的覆盖以及导航定位性能。
北斗-2中采用5颗GEO 卫星，设置在中国区域．可提供大范围的地面覆盖(40%），在其覆盖区域的任何一点，卫星均可24小时可见．不能提供对极区的覆盖。3颗IGSO卫星对极区提供很好的覆盖，弥补了GEO卫星的缺陷．但存在与GEO卫星的碰撞危险和服务的稳定性，需要频繁的轨道维持。4颗MEO卫星轨道相对较稳定，弥补了GEO与IGSO卫星服务稳定性的缺陷，故对于区域导航卫星系统来说，北斗-2系统住满足对我国区域的覆盖以及导航定位要求。
7 有效利用GNSS系统
7.1 完整的GNSS系统性能分析
1、覆盖性能分析
2、导航定位性能分析
7.2 三个系统的组合性能
比较GPS、GLONASS与Galileo组合的以及GPS、GLONASS与北斗-2组合的导航性能。分析最佳利用GNSS系统的方式。(1)覆盖性能比较
(2)导航精度与DOP因子比较
7.3 小结
1、完整的GNSS系统(GPS、GLONASS、Galileo以及北斗-2组合)与GPS、GLONASS、Galileo组合和GPS、GLoNASS、北斗-2组合，即四个系统与三个系统组合后，覆盖以及导航定位性能相当，故从成本经费等方面考虑，采取三个系统组合来进行导航定位较合适。2、对于三个系统组合来说，全球区域的导航定位性能，GPS、GLONASS、Galileo组合较好；对于覆盖资源数，GPS、GLONASS与Galileo组合对于全球区域的覆盖较好，GPS、GLONASS与北斗-2组合对于中国以及周边区域的覆盖较好。对于导航定位性能，两种组合方法的结果相当。
3、故对于全球区域的利用，采取GPS、GLONASS与Galileo组合较为合适；而对于我国以及周边区域的利用，采取GPS、GLONASS与北斗-2组合较好。
8 总结
本文利用STK分析GNSS导航卫星对中国以及全球区域的覆盖性能、DOP因子以及导航精度来评估星座设计的优劣，并比较各个系统的特点，讨论了有效利用GNSS系统的选择，方法比较可行，对于未来GNSS系统的综合有效利用具有一定的参考；在未来可以通过评估导航，卫星的覆盖以及导航定位性能运用于深空探测中月球和火星的全球卫星导航系统的星座设计。参考文献
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