1、第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：周舒涵（），男，江西湖口人，导航、制导与控制专业硕士研究生，主要研究方向为低轨卫星导航增强。低轨通信卫星增强 定位性能分析周舒涵，陈明剑，景 鑫，樊礼谦，柯 晔（信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州）摘要：为探讨低轨通信卫星对全球导航卫星系统（）定位性能的增强效果，本文设计了不同轨道高度、轨道类型、低轨卫星数量的低轨卫星星座，通过这些低轨卫星与北斗卫星导航系统（）和全球定位系统（）的组合星座对全球范围内 个测站进行可见性和覆盖性分析，并对低轨卫星星座单独定位能力进行分析。结果表明，不同数量低轨卫星对 增强效果差异明显，数量越
2、大，增强效果越明显；低轨卫星轨道低，几何运动速度快，位置精度因子（）值变化快，可有效缩短 定位收敛时间。关键词：低轨通信卫星；导航增强；精度因子；定位性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（）（），（）（），（），：；引 言全球 导 航 卫 星 系 统（，）作为一种重要的时空信息基础设施，可向全球用户提供高精度的定位、导航和授时服务。近年来，随着无人驾驶技术、人工智能以及物联网技术的蓬勃发展，人们对时间和空间信息的精度要求也越来越高。然而目前 定位技术存在初始化时间长、落地信号强度低、抗干扰性能差等不足。为了弥补这些缺陷，国内外学者提出利用低轨（，）卫星进行导航增强的设想。等探索
3、了如何利用商业低轨通信卫星导航，研究了 卫星的几何分布、空间信号测距误差等一套完整的架构，结果表明，利用 通信卫星进行导航增强服务是完全可行的。通信卫星作为一种新兴的导航增强手段，具有一些独特的优势。卫星轨道高度较低，信号功率大，信号质量高，具有较强的抗干扰能力，可以在室内和遮蔽地区提供服务，其落地功率大约比 强度高。卫星最大的优势是运动速度快，可以使相邻观测历元之间的相关性大大减弱，实现定位快速收敛。王磊等分析了由珞珈一号科学实验卫星播发的双频测距信号的质量，结果显示，其伪距和载波相位观测量精度分别优于 和 ，可以满足导航增强的需求。卫星导航星座仿真 卫星星座仿真实验采用 组合星座作为多系统
4、。空间星座采用混合星座，由 颗倾角为 的 卫星、颗地球静止轨道（，）卫星以及 颗地球倾斜轨道（，）卫星组成。则由 颗正常工作卫星和 颗备份卫星组成，卫星均匀分布在 个轨道面，轨道倾角为。卫星星座对于 星座的仿真，在数量上采用 星、星、星、星这 种星座方案进行导航性能增强分析。其中，星为中国航天科技集团公司设计“鸿雁”卫星星座采用的方案；星是北京未来导航科技有限公司正在开发的“微厘空间”低轨星座采用的方案；星为美国的 低轨通信星座的卫星数目。在星座构型方面，极轨道可以实现卫星全球均匀分布，且对高纬度地区具有多重覆盖优势。因此仿真实验星座采用极轨轨道。对于 星低轨星座另外采用轨道倾角为 的（）星座
5、构型进行对比分析。在轨道高度方面，采用、种轨道高度进行覆盖性分析。低轨星座增强 性能分析 地面站点选取由于仿真实验所采用的轨道方案大多数都为极轨轨道，卫星在全球范围内分布均匀，且南北半球具有对称性，为避免研究的重复性，实验仅从北半球不同经纬度地区选择了 个站点分析不同低轨星座方案对 导航定位性能的增强情况，仿真时间从 年 月 日 时 分 秒 时 分 秒，共 ，卫星截止高度角为，采样间隔为 。对于星座定位性能的优劣通常可以用 个指标进行评价，即卫星可见数与 值。卫星可见数可以很好地反映导航星座对观测范围内的多重覆盖情况，可观测卫星越多，求解位置信息的观测方程也越多，定位结果更精确。值则可以反映空
6、间星座几何分布情况，值越小，星座空间几何分布越合理，定位精度越高。除此之外，值的变化率也会影响精密单点定位首次定位的收敛速度。基于以上考虑，实验选用可见卫星数与 值作为定位性能评价指标。地面站点卫星可见数图 为各地面站在仿真时间内对各系统组合星座（）卫星可见情况。可以看出，在卫星可见性方面，系统通过引入不同数量的 组合星座可大大提高测站卫星可见数，并且随着 星座的构成卫星数量增加，各测站的卫星可见数也不断增加。其中，、和 方案分别对 系统增加的可见卫星数平均为、和 颗。由于本实验中 星座大多采用极轨轨道，轨道倾角较高，因此位于低纬度的 测站对于各 增强系统的可见卫星数最少，位于高纬度的 测站可
7、见卫星数最多。通过引入 颗低轨卫星星座，测站卫星可见数只平均增加了 颗，而 测站则平均增加 颗。因此，星座可有效改善目前 系统在高纬度地区的定位精度不足的现象。对于轨道类型，对比 的 倾斜轨道星座的增强效果可以发现，倾斜轨道对各测站卫星可见增加数量较为平均，都在 颗，而极轨轨道则随纬度的增高，增加的卫星可见数也越多。在整个仿真时间内，测站对倾斜轨道的卫星可见数始终高于极轨轨道，而 测站对倾斜轨道的卫星可见数则始终低于极轨轨道。图 各测站卫星可见数 地面站点卫星 值图 为各系统星座（）对各地面站在仿真时间内覆盖性分析结果。在覆盖性分析方面，系统各测站的 值平均在 左右，通过加入、和 低轨星座组合
8、后，各测站平均 可以下降为、和，在 测站 星座的 值甚至可以达到，对 测站降低效果则较低，值下降 测绘与空间地理信息 年为。由此可见，低轨卫星星座可有效改善 导航星座的几何分布，降低其 值。另外，虽然 系统各测站的 已经基本满足定位导航的要求，但是分析其 时间序列可以发现，值随时间变化缓慢，最短也需要 才有较小变化，而在 测站，值在 这长达 时间里基本无变化。这是由于 系统由 卫星组成，卫星运动速度小，空间几何变化慢，也解释了利用 进行精密单点定位时收敛时间较长的原因。而 系统通过引入 星座，各测站 值随时间变化剧烈，在几分钟时间里就有较大变化，因此，相邻历元观测方程中位置参数、钟差参数和模糊
9、度参数之间的相关性大大削弱，可以在短时间内进行分离，大大提高精密单点定位收敛速度。图 各测站 值 为了说明这种 值快速变化的特性不仅仅是因为卫星颗数增多引起的，仿真实验还对 系统引入 颗 卫星在 测站进行 值时间序列分析，结果如图 所示。可以看出，通过增加了 颗 卫星，其 变化速度仍然缓慢，时长在 。因此可以说明 值快速变化是 星座的特性。对于引入不同轨道高度的 星座（颗）对测站可见性及覆盖性影响结果如图 和图 所示，显然，随着卫星轨道高度增加，卫星对地面覆盖半径增加，测站的可见卫星数也随之增加，值变小。高度的图 测站不同系统 值 星座虽然在卫星可见数和 值大小方面性能最佳，但是其卫星星座运动
10、速度相对于 和 较小，变化速度也较小。例如 高度的 值在 时间段里变化较小。在实际设计 星座轨道高度时，兼顾卫星可见性以及空间几何分布情况等多种因素，通常采用 左右轨道高度的方案。图 测站不同轨道高度 图 测站不同轨道高度 组合星座 值 全球范围卫星可见数和 考虑到 个地面站点的观测性有限，为了更深入地分析 引入不同的低轨星座组合对不同地区的定位导航性能的增强效果，实验通过仿真计算了全球范围内的可见卫星数与 值随纬度分布情况，如图 和图 所示。从图 中可以发现：单 星座在全球范围的可见卫星数随纬度变化较小，平均在 颗左右，随着引入不同颗数的 星座，全球范围卫星可见数在南北半球呈对称分布趋势。在
11、中低纬度带，随着 卫星颗数的增加，地区内卫星可见数增加不太明显，组合星座也仅仅只比 组合星座卫星可见数平均高出，倾斜轨道 卫星和极轨轨道的 卫星覆盖效果相当。在高纬度地区，低轨星座对 的增强效果则较为明显，卫星可见数大大增加，（极轨轨道）组合星座比 （倾斜轨道）卫星可见数平均高出 颗，这是由于极轨轨道的 卫星轨道倾角较高而产生的特性。第 期周舒涵等：低轨通信卫星增强 定位性能分析图 全球范围可见卫星数 值反映的是星座空间几何构型，因此当引入不同的 星座组合，系统卫星颗数增加，值自然会一定程度上得到减小。由图 可知，当引入 卫星颗数为 和 颗时，值下降幅度较大，平均可以下降 和，在中纬度地带甚至
12、可以将 值从 下降为。再随着 卫星数的增加，值下降趋势较为平缓，组合星座的 值平均只比 组合星座小。这表明，当引入的 卫星颗数增多时，值一开始下降迅速，而后出现饱和，值趋于平缓。另外，对比 个不同轨道类型的组合星座在高纬度地区的各系统 值可以看出，极轨轨道 卫星对高纬度地区的 值改善较大，倾斜轨道对中低纬度地区 下降更明显，最小值都能达到。实际星座设计中可兼顾 种轨道进行设计，以达到全球范围内最优的导航定位增强效果。图 全球范围 值 结束语实验通过对 引入不同的低轨卫星星座进行仿真，以卫星可见数与 值为评价指标探讨了不同方案的低轨卫星对 的导航性能增强效果，从卫星轨道类型、卫星轨道高度以及低轨
13、卫星数量等多个方面分析了低轨卫星对 导航性能增强的原理机制，从理论上分析了单 星座独立进行导航定位的可行性。结果表明：）低轨卫星轨道越高，地面覆盖范围越大，地面可见卫星数越多，值越小，但 值变化速度变小；极轨轨道 卫星对 系统增强效果在高纬度地 区最大，倾斜轨道（倾角）对 系统增强效果在中低纬度地区最大。）随着引入低轨卫星数量增多，地面可见卫星数越多，值下降越明显，但当卫星颗数大于 颗时，下降速度变缓慢，逐渐趋向稳定。）低轨卫星运动速度快，空间几何变化也快，可以有效改善 系统 值变化速度过小导致定位收敛速度过长的缺点，可以快速分离各项误差，从根本上缩短收敛时间。参考文献：张小红，马福建低轨导航
14、增强 发展综述测绘学报，（）：，（）：，（）：雷文英，李毅松，周昀，等基于鸿雁单颗 卫星和 卫星的天基导航备份 空间电子技术，（）：田润，崔志颖，张爽娜，等基于低轨通信星座的导航增强技术发展概述导航定位与授时，（）：王磊，陈锐志，李德仁，等珞珈一号低轨卫星导航增强系统信号质量评估 武汉大学学报（信息科学版），（）：景骢北斗三号全球系统核心星座部署完成太空探索，（）：，（）：韩松辉，杜兰，李国重，等 导航增强星座设计与链路性能分析 测绘科学技术学报，（）：徐哲宇混合构型 导航卫星星座设计与优化郑州：信息工程大学，赵兴隆，钟世明，欧吉坤，等 星座增强 的精密单点定位初步分析大地测量与地球动力学，（）：闫建巧，陈明剑，汪威，等基于地基增强系统的增强 技术全球定位系统，（）：，梅建东 双频 三频静态精密单点定位精度分析测绘标准化，（）：编辑：任亚茹 本刊现入编“万方数据 数字化期刊群”和“中国核心期刊（遴选）数据库”，作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付，不再另行发放。作者如不同意将文章入编，投稿时敬请说明。测绘与空间地理信息 年
