馬利華,張麗榮,韓延本,喬琪源

(中國科學(xué)院國家天文臺,北京100012)

0 引言

2002年11月,中國科學(xué)院的科研人員開始研發(fā)有別于GPS的“基于同步通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”,這類導(dǎo)航系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點(diǎn)是:利用同步通信衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)地面導(dǎo)航主站生成的原子鐘信號、測距碼和導(dǎo)航電文,并結(jié)合氣壓測高技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維定位。減少了發(fā)射專用導(dǎo)航衛(wèi)星的費(fèi)用,縮短了組建導(dǎo)航系統(tǒng)的周期,又避開了制造難度大、費(fèi)用昂貴的星載原子鐘。在這個創(chuàng)新思路下,中科院組織專家開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),并研制成功了中國區(qū)域定位系統(tǒng)CAPS(Chinese Area Positioning System)[1-2]。在地球赤道上空的同步軌道(GEO)上有很多通信衛(wèi)星,當(dāng)這些GEO通信衛(wèi)星上所攜帶的大部分燃料被消耗掉后,衛(wèi)星進(jìn)入壽命末期。為了保障用戶業(yè)務(wù)的連續(xù),會在衛(wèi)星壽命結(jié)束前的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射新的替代衛(wèi)星到指定軌位上,完成新老衛(wèi)星的更替。原衛(wèi)星被換下來,成為退役衛(wèi)星,其上的太陽能電池和電子設(shè)備基本完好,大部分轉(zhuǎn)發(fā)器都還能正常工作。但按照國際慣例,必須關(guān)閉衛(wèi)星上的電源并將其推離同步軌道,使其漂移成為空間垃圾。CAPS采用了新的模式調(diào)控退役的GEO通信衛(wèi)星,對它們僅實(shí)施東西方向的位置保持與調(diào)控,在日月引力的作用下,GEO衛(wèi)星在南北方向每年漂移約0.75°～0.95°。隨著時(shí)間的推移,衛(wèi)星的軌道傾角越來越大,逐漸漂移成為小傾角的傾斜同步軌道(SIGSO)衛(wèi)星。對GEO衛(wèi)星做南北調(diào)控消耗的燃料是做東西調(diào)控消耗燃料的10倍左右,因此,只做東西調(diào)控可以節(jié)省GEO衛(wèi)星的燃料,從而大幅度延長GEO衛(wèi)星的工作壽命。將退役衛(wèi)星漂移得到的SIGSO衛(wèi)星用于CAPS,開辟了退役GEO通信衛(wèi)星的第二個生命周期—導(dǎo)航通信周期[1-4]。

由于GEO通信衛(wèi)星都近似地處在赤道平面內(nèi),僅利用GEO通信衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座不能實(shí)現(xiàn)用戶的三維定位。CAPS氣壓測高技術(shù)是對高度的高精度相對測量,與基準(zhǔn)站的精確高度相結(jié)合,用戶接收機(jī)可以獲得高精度的大地高程,從而實(shí)現(xiàn)三維定位[1-5]。采用氣壓測高技術(shù)后,CAPS可以實(shí)現(xiàn)幾米到幾十米量級的導(dǎo)航定位精度。仿真分析表明:當(dāng)采用較多的退役GEO衛(wèi)星組建CAPS導(dǎo)航星座時(shí),如果衛(wèi)星的軌道傾角比較大,即使不利用氣壓測高技術(shù),也可以實(shí)現(xiàn)較高精度的導(dǎo)航定位;退役GEO衛(wèi)星的數(shù)量越多、其軌道傾角越大則會進(jìn)一步改善系統(tǒng)的導(dǎo)航性能[6]。結(jié)合CAPS試驗(yàn)驗(yàn)證階段的星座組成,分析了不采用氣壓測高時(shí)星座的PDOP值變化,并提出可行的CAPS星座優(yōu)化方案,以改善轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位性能。

1 導(dǎo)航星座的分析方法

在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中,衛(wèi)星所構(gòu)成星座的空間結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的定位精度有重要的影響,在偽距測量精度一定的情況下,由觀測站與觀測衛(wèi)星組成的星座結(jié)構(gòu)不同,最終獲得的定位精度也不同。衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)對定位精度的影響通常用精度衰減因子(DOP)來表征[7-8],它是從等效測距誤差到定位誤差的放大倍數(shù)。

式中:σρ為等效測距誤差的均方根;(σx,σy,σz)是估計(jì)的用戶位置坐標(biāo)(x,y,z)的均方根誤差;σb為估計(jì)的用戶鐘偏差的均方根誤差;A為用戶到所觀測衛(wèi)星的方向余弦矩陣。用戶最終的定位誤差由等效測距誤差與DOP相乘得到。GDOP是衡量星座結(jié)構(gòu)質(zhì)量的總指標(biāo),三維位置精度衰減因子PDOP與用戶的導(dǎo)航定位精度直接相關(guān)。以下通過對PDOP值的分析來研究如何利用退役GEO衛(wèi)星優(yōu)化CAPS的導(dǎo)航定位性能。

2 CAPS導(dǎo)航星座的空間布局分析

CAPS試驗(yàn)驗(yàn)證階段采用軌位分別處于87.5°E、110.5°E、130°E和142°E的四顆GEO通信衛(wèi)星組建導(dǎo)航星座,其中130°E和142°E兩顆衛(wèi)星為退役的GEO通信衛(wèi)星。到目前為止,新的軌位調(diào)控模式已經(jīng)把這兩顆退役衛(wèi)星調(diào)控成為傾角分別是3.5°和4°的SIGSO衛(wèi)星,同時(shí),142°E衛(wèi)星通過赤道的時(shí)間比130°E衛(wèi)星超前約1h。

采用上述PDOP計(jì)算過程分析了北京觀測CAPS星座的PDOP日變化。結(jié)果表明:不采用氣壓測高技術(shù)時(shí),北京觀測的PDOP日變化起伏非常大,PDOP最小值為48,最大值大于104,在10時(shí)前后和22時(shí)前后出現(xiàn)兩次PDOP極大值。圖1給出了不采用氣壓測高技術(shù)時(shí),2009年1月17日8時(shí)—1月18日8時(shí)(北京時(shí)間)期間在北京觀測CAPS星座的PDOP日變化,圖中只給出PDOP小于1000的部分。

圖1 2009年1月17日8時(shí)—1月18日8時(shí)北京的PDOP日變化

在CAPS中,偽隨機(jī)測距碼信號采用短精碼可以把用戶的等效偽距測量誤差控制到0.3 m以內(nèi),如果限制PDOP值小于100,則用戶的定位誤差在30 m以內(nèi)。此時(shí),可認(rèn)為系統(tǒng)具有相對較好的可用性。因此,把一天內(nèi)PDOP值大于100的時(shí)間段定義為導(dǎo)航不可用時(shí)段,并把一天內(nèi)導(dǎo)航可用時(shí)段和PDOP小于100的平均值作為判斷星座組合優(yōu)劣的依據(jù)。按照目前的退役衛(wèi)星軌道參數(shù),對北京用戶而言,PDOP大于100的時(shí)間段約為7.8 h,即如果不采用氣壓測高技術(shù),目前的CAPS導(dǎo)航星座在一天內(nèi)只有約67.5%的時(shí)段(16.2h)可以開展較高精度的定位應(yīng)用。因此,研究和提出可行的星座優(yōu)化方案,對于改善CAPS的導(dǎo)航性能是非常有意義的。

3 優(yōu)化CAPS星座的PDOP分析

地面測控站可以調(diào)整退役GEO通信衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤徑來改變衛(wèi)星通過赤道的時(shí)刻,進(jìn)而改變導(dǎo)航星座的空間布局,在空間軌位固定的條件下調(diào)控兩顆退役衛(wèi)星通過赤道的時(shí)間差,是CAPS星座優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一。

設(shè)置130°E和142°E兩顆退役GEO通信衛(wèi)星同時(shí)通過赤道,利用這兩顆衛(wèi)星與87.5°E和110.5°E軌位處GEO衛(wèi)星組成CAPS星座,可以仿真得到任一時(shí)刻CAPS星座的空間分布。在北京建立觀測站,可以得到該星座的PDOP日變化(見圖2)。此時(shí),導(dǎo)航不可用的時(shí)段約為7.2 h,可用時(shí)段內(nèi)GDOP的平均值為60。

類似地,依次調(diào)整130°E和142°E兩顆退役衛(wèi)星通過赤道時(shí)間差為 0h、1h、2h、……、11h、12h、13h、……23h,并在北京、上海、西安、長春、烏魯木齊和三亞等6個觀測站分析導(dǎo)航不可用時(shí)段和PDOP日均值。結(jié)果表明,兩顆退役衛(wèi)星通過赤道時(shí)間差為12-k小時(shí)和通過赤道時(shí)間差為12+k小時(shí)的 PDOP變化特征一致(k=1,2,3,……11)。表1分別給出了這兩顆退役衛(wèi)星通過赤道時(shí)間差分別為0h、1h、2h、……、12h時(shí)上述6個觀測站PDOP日變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2 兩顆退役衛(wèi)星同時(shí)通過赤道時(shí),北京觀測的PDOP日變化

可見,130°E和142°E兩顆退役衛(wèi)星通過赤道的時(shí)間差為12h時(shí),在上述6個觀測站都具有最短的導(dǎo)航不可用時(shí)段,同時(shí),PDOP的日均值也相對較小。

表1 兩顆衛(wèi)星通過赤道的時(shí)間差與PDOP統(tǒng)計(jì)

圖3 兩顆退役衛(wèi)星通過赤道時(shí)間差為0h時(shí),導(dǎo)航不可用時(shí)段的分布

圖4 兩顆退役衛(wèi)星通過赤道時(shí)間差為0h時(shí),PDOP日均值的分布

進(jìn)一步,在CAPS覆蓋區(qū)域內(nèi)任選一個觀測地點(diǎn),都可以求出該地的導(dǎo)航不可用時(shí)段和PDOP日均值。圖3和圖4分別給出了這兩顆退役衛(wèi)星通過赤道時(shí)間差為0h時(shí)(即同時(shí)通過赤道)導(dǎo)航不可用時(shí)段的分布和PDOP日均值的分布。這里,全球經(jīng)緯度格點(diǎn)為1°×1°,每個格點(diǎn)的導(dǎo)航不可用時(shí)段為一天內(nèi)PDOP大于100的時(shí)間段,格點(diǎn)的PDOP日均值為可用時(shí)段內(nèi)PDOP的平均值。圖5和圖6分別給出了這兩顆退役衛(wèi)星通過赤道的時(shí)間差為12h時(shí)導(dǎo)航不可用時(shí)段的分布和PDOP日均值的分布。

分析表明:導(dǎo)航不可用時(shí)段的分布和PDOP日均值的分布結(jié)果與上述6個觀測站PDOP日變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致,即當(dāng)130°E和142°E兩顆退役衛(wèi)星通過赤道的時(shí)間差為12h時(shí),可以使系統(tǒng)具有最短的導(dǎo)航不可用時(shí)段,同時(shí)PDOP的日均值也相對較小。此時(shí),除我國的西北邊緣地區(qū)外,我國境內(nèi)CAPS導(dǎo)航的可用時(shí)段均超過22 h,在可用時(shí)段內(nèi),PDOP日均值在25～28,系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度優(yōu)于10 m。

4 結(jié) 論

利用調(diào)控退役GEO衛(wèi)星后得到的SIGSO衛(wèi)星可以改善CAPS導(dǎo)航,當(dāng)采用的退役GEO衛(wèi)星較少、軌道傾角較小時(shí),系統(tǒng)的導(dǎo)航可用性較差。本文的分析表明,對于目前的CAPS試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的星座,利用兩顆GEO通信衛(wèi)星和兩顆退役GEO通信衛(wèi)星開展導(dǎo)航應(yīng)用時(shí),如果不采用氣壓測高技術(shù),并不能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)的導(dǎo)航定位;如果適當(dāng)調(diào)整兩顆退役衛(wèi)星通過赤道的時(shí)間差,可以改善系統(tǒng)的導(dǎo)航性能。當(dāng)兩顆退役衛(wèi)星通過赤道時(shí)間差為12h時(shí),CAPS星座PDOP值大于100的時(shí)段最短,即系統(tǒng)具有最長的導(dǎo)航可用時(shí)段,可以確保系統(tǒng)在一天的相當(dāng)長時(shí)段內(nèi)獲得較高的導(dǎo)航定位精度。當(dāng)然,地面衛(wèi)星測控站可以通過軌控來增大退役GEO衛(wèi)星的軌道傾角,這樣也可以明顯改善CAPS的導(dǎo)航性能,但是調(diào)控退役GEO衛(wèi)星的軌道參數(shù)勢必消耗衛(wèi)星上的剩余燃料,會縮短衛(wèi)星的使用壽命。因此,在具體的工程實(shí)施中,需要在提高系統(tǒng)性能和節(jié)省衛(wèi)星燃料之間做權(quán)衡。

致謝:艾國祥院士對本項(xiàng)研究給出了建設(shè)性的指導(dǎo)意見,中科院國家授時(shí)中心的楊旭海研究員為本項(xiàng)研究提供了實(shí)測的CAPS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù),特此致謝。

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