CN107402391B - 一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法，给出了针对导航卫星的星座兼容与互操作的定义及分析方法；其中兼容性主要从长期演化和碰撞概率两方面进行分析，本发明给出了中轨卫星的受摄影响和长期演化规律，并给出了一种碰撞概率的计算方法；互操作性主要从卫星可见性、位置精度因子和定位服务可用性进行分析，分别给出了卫星可见性、位置精度因子、定位服务可用性的计算方法和影响因素；本发明提出的星座兼容与互操作定义，与通常的信号、时间、坐标兼容与互操作含义不同；且提出的分析方法工程可实现性强。

Description

一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法

技术领域

本发明属于全球卫星导航系统兼容与互操作技术领域，具体涉及一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法。

背景技术

随着全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的发展，兼容与互操作越来越成为导航领域的一个研究热点，学术界目前尚未给出兼容与互操作的明确定义，一般认为：兼容性是指分别或综合使用多个GNSS及增强系统，不会引起不可接受的干扰，也不会伤害其他单一卫星导航系统的操作与服务；互操作是指综合利用多个GNSS及其增强系统，能够在用户层面比单独使用一个系统获得更好的服务，并且不会给接收机生产厂商和用户带来额外的负担和成本。

目前国内外学者针对全球卫星导航系统的兼容和互操作已进行了分析研究，且已有相关理论文章发表，例如《GNSS互操作若干问题》(杨元喜等，测绘学报，2016年3月第45卷第3期)、《GPS、北斗二代卫星导航定位系统性能仿真分析》(申光等，第七届中国通信学会学术年会论文集)、《北斗系统卫星可见性和精度因子分析》(胡晓粉等，导航定位学报，2014年6月第2卷第2期)、《北斗卫星导航系统试运行服务性能评估》(高为广等，武汉大学学报(信息科学版)，2012年11月第37卷第11期)。

现有的全球卫星导航系统兼容与互操作研究主要涉及信号、时间、坐标等，尚没有界定全球卫星导航系统轨道星座兼容与互操作的定义，也没有给出相关分析方法。本发明给出了导航卫星星座兼容与互操作的定义，并分别给出了星座兼容性和互操作性的分析方法。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法，给出了导航卫星星座兼容与互操作的定义及分析方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法，包括以下步骤：

步骤1：定义星座兼容；

星座兼容指正常工作的导航卫星、退役的导航卫星以及上面级不会与其他导航系统卫星产生碰撞。星座兼容性主要从长期演化和碰撞概率两方面进行分析，本发明给出了中轨卫星的受摄影响和长期演化规律，并给出了一种碰撞概率的计算方法。

步骤2：分析导航卫星星座长期演化；

对于MEO卫星，大气阻力摄动的影响可以忽略不计，此时对卫星轨道产生影响的主要摄动因素是地球非球形摄动、日月三体引力摄动和太阳光压摄动。从摄动量级来看，地球非球形摄动影响最大，约为10^-4～10^-5的量级，日月三体引力摄动的量级约在10^-6左右。

非球形摄动对轨道半长轴、偏心率和倾角没有长期影响，而对其他三个轨道根数则有长期影响。日月三体引力摄动只引起升交点赤经、近地点幅角和平近点角的长期和长周期变化，以及轨道倾角和偏心率的长周期变化，而对轨道半长轴同样没有长期和长周期影响。对于太阳光压摄动，只存在长周期影响而无长期变化，对于轨道半长轴，如果不存在地影，则无长周期变化，反之则出现长周期变化。

研究摄动对星座构型的影响必须将星座作为一个整体来考虑，而不能独立考虑各颗卫星。通过分析主要摄动力对卫星轨道的长期影响可以知道，此影响主要表现在升交点赤经和沿迹角的漂移。而卫星轨道的半长轴、偏心率和倾角的初始偏差都将导致卫星轨道在升交点赤经和沿迹角的长期变化。对于星座而言，摄动对星座构型的影响主要是卫星之间的升交点赤经和沿迹角变化。

步骤3：计算碰撞概率；

碰撞具有典型的非线性和不确定性，因此判断两卫星是否发生碰撞的模型可以认为是概率模型。本发明中将空间进行网格划分，每隔一段时间进行采样统计，采用统一采样的方式。统计采样时刻每个空间网格内的碎片数，如果同一个网格内的碎片数目大于或等于两个，则认为这些卫星两两之间具有一定的碰撞概率，并计算碰撞概率；将其与碰撞概率门限值进行比较，如果计算得到的碰撞概率小于碰撞概率门限值，则认为不发生碰撞。

步骤4：定义星座互操作；

星座互操作指当多个导航卫星系统播发公开服务信号时，用户的观测几何、可见卫星数目等都将得到极大改善，相应的用户可用性和可靠性也会得到改善。

星座的互操作性可以通过对位置精度因子、定位服务可用性和卫星可见性的分析进行研究。PDOP值反映了卫星的几何构型，DOP值随可见卫星个数的增加而减小；可见卫星数与高度截止角有关。分析PDOP值、可用性和卫星可见性可以评估用户区域的观测条件好坏，从而能够侧面反映导航卫星系统的运行状况。星座互操作分析流程图如图2所示。

步骤5：分析卫星可见性；

卫星可见性是指地面上某点在某时刻以一定高度角能够观测到的所有卫星数目。同一时间内覆盖到的卫星数越多，可供选用的卫星就越多，对导航就越有利。

卫星可见数与高度截止角直接相关，高度截止角指的是从平面开始朝向空中方向的一个角的大小。高度截止角主要用来控制接收机接收卫星的颗数，因为通常低角度的卫星信号干扰都会比较大。

计算轨道高度为h的卫星与地面站的临界距离，当卫星与地面站的距离小于该临界距离时，认为该卫星可见。

步骤6：计算位置精度因子；

精度因子DOP(Dilution of Precision)值是评估卫星导航系统定位性能的重要手段之一，精度因子提供了用户—卫星几何分布的简单描述，几何分布越好，DOP值就越小，而在同等用户等效距离误差(UERE)下，DOP值越小，代表星座分布结构越好，定位精度就越高。DOP有以下几种常用的参数：几何精度因子GDOP、位置精度因子PDOP、水平精度因子HDOP、垂直精度因子VDOP和时间精度因子TDOP，分别表征位置或时间解的各分量的精度。互操作性分析过程中主要分析位置精度因子PDOP。

步骤7：分析定位服务可用性；

定位服务可用性的定义为：指定区域、时间间隔内满足一定标准的定位结果占整个时间的百分比。可用性是系统在某一指定覆盖区域内提供可以使用的导航服务的能力的标志。在实际工程运用中，卫星定位的可用性主要受跟踪到的可见星数及其分布的几何图形这两个重要因素的影响。

本发明提供的一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法，给出了针对导航卫星的星座兼容与互操作的定义及分析方法。其中兼容性主要从长期演化和碰撞概率两方面进行分析，本发明给出了中轨卫星的受摄影响和长期演化规律，并给出了一种碰撞概率的计算方法；互操作性主要从卫星可见性、位置精度因子和定位服务可用性进行分析，分别给出了卫星可见性、位置精度因子、定位服务可用性的计算方法和影响因素。本发明提出的星座兼容与互操作定义，与通常的信号、时间、坐标兼容与互操作含义不同；且提出的分析方法工程可实现性强。

附图说明

图1为本发明提供的一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法的分析示意图；

图2为导航卫星星座互操作性分析方法流程图；

图3为星座可见性分析示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1，本发明提供一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法，包括以下步骤：

步骤1：定义星座兼容；

星座兼容指正常工作的导航卫星、退役的导航卫星以及上面级不会与其他导航系统卫星产生碰撞。星座兼容性主要从长期演化和碰撞概率两方面进行分析，本发明给出了中轨卫星的受摄影响和长期演化规律，并给出了一种碰撞概率的计算方法。

步骤2：分析导航卫星星座长期演化；

MEO卫星轨道演化规律：MEO轨道半长轴没有长期项和长周期项摄动，由地球扁状引起的短周期项摄动，半长轴以天为周期的最大振幅约1.59公里；地球扁状、太阳和月球引力引起MEO轨道面向西进动，进动周期约30年；太阳引力、月球引力引起MEO轨道倾角长周期摄动，主项摄动周期分别为轨道面回归周期约30年、半个回归周期约15年。MEO偏心率在太阳光压作用下，存在长周期摄动，摄动周期为一年，一年内近地点在轨道面内运动一周。升交点赤经相对摄动运动与轨道相对半长轴偏差、相对偏心率偏差和相对倾角偏差有关；升交点赤经相对摄动方程中，轨道相对偏差均是可控的。相位角相对摄动运动与轨道相对半长轴偏差、相对偏心率偏差和相对倾角偏差有关；相位角相对摄动方程中，轨道相对偏差均是可控的。

对于MEO卫星，大气阻力摄动的影响可以忽略不计，此时对卫星轨道产生影响的主要摄动因素是地球非球形摄动、日月三体引力摄动和太阳光压摄动。从摄动量级来看，地球非球形摄动影响最大，约为10^-4～10^-5的量级，日月三体引力摄动的量级约在10^-6左右。

非球形摄动对轨道半长轴、偏心率和倾角没有长期影响，而对其他三个轨道根数则有长期影响。日月三体引力摄动只引起升交点赤经、近地点幅角和平近点角的长期和长周期变化，以及轨道倾角和偏心率的长周期变化，而对轨道半长轴同样没有长期和长周期影响。对于太阳光压摄动，只存在长周期影响而无长期变化，对于轨道半长轴，如果不存在地影，则无长周期变化，反之则出现长周期变化。

对于MEO中轨道卫星而言，地球非球形摄动、日月三体引力摄动对轨道的影响是主要的。地球非球形摄动、日月三体引力摄动都可以在一定精度内保证轨道预报的精确性，而太阳光压较难精确计算，但由于其对卫星轨道的长期影响非常小，因此，对分析卫星轨道的长期稳定性结果的准确性影响并不大。同时，摄动力对卫星轨道的影响主要表现在升交点赤经漂移和沿迹角漂移，而对于轨道半长轴、偏心率和倾角的长期影响都不是很大，轨道半长轴在4km范围内变化，偏心率最大变化量不超过10^-3、轨道倾角基本在3°范围内变化，这些对于星座的影响都很小。因此对于星座构型的破坏主要表现在升交点赤经和沿迹角上，可以用升交点赤经和沿迹角的漂移来描述圆轨道卫星星座构型的稳定性。

研究摄动对星座构型的影响必须将星座作为一个整体来考虑，而不能独立考虑各颗卫星。通过分析主要摄动力对卫星轨道的长期影响可以知道，此影响主要表现在升交点赤经和沿迹角的漂移。而卫星轨道的半长轴、偏心率和倾角的初始偏差都将导致卫星轨道在升交点赤经和沿迹角的长期变化。对于星座而言，摄动对星座构型的影响主要是卫星之间的升交点赤经和沿迹角变化。

步骤3：计算碰撞概率；

碰撞具有典型的非线性和不确定性，因此判断两卫星是否发生碰撞的模型可以认为是概率模型。本发明中将空间进行网格划分，每隔一段时间进行采样统计，采用统一采样的方式。统计采样时刻每个空间网格内的碎片数，如果同一个网格内的碎片数目大于或等于两个，则认为这些卫星两两之间具有一定的碰撞概率，并计算碰撞概率；将其与碰撞概率门限值进行比较，如果计算得到的碰撞概率小于碰撞概率门限值，则认为不发生碰撞。

如果同一个网格内的碎片数目大于或等于两个，则两卫星i和j之间的碰撞概率为：

P_i,j＝ρ_iρ_jv_ijSdU (1)

其中，

ρ_i,ρ_j--卫星i和j在该体元内的空间密度；

v_ij--卫星i和j的相对速度大小；

S--碰撞横截面积；

dU--该空间体元的体积。

将计算得到的碰撞概率P_i,j与碰撞概率门限值

比较，根据蒙特卡洛模拟的基本思想，如果

认为卫星i和j间不会发生碰撞。

步骤4：定义星座互操作；

星座互操作指当多个导航卫星系统播发公开服务信号时，用户的观测几何、可见卫星数目等都将得到极大改善，相应的用户可用性和可靠性也会得到改善。

星座的互操作性可以通过对位置精度因子、定位服务可用性和卫星可见性的分析进行研究。PDOP值反映了卫星的几何构型，DOP值随可见卫星个数的增加而减小；可见卫星数与高度截止角有关。分析PDOP值、可用性和卫星可见性可以评估用户区域的观测条件好坏，从而能够侧面反映导航卫星系统的运行状况。星座互操作分析流程图如图2所示。

步骤5：分析卫星可见性；

卫星可见性是指地面上某点在某时刻以一定高度角能够观测到的所有卫星数目。同一时间内覆盖到的卫星数越多，可供选用的卫星就越多，对导航就越有利。

卫星可见性优劣虽然与点位精度无直接关系，但同一时段内接收到的卫星数量越多，则用于点位精度计算的多余观测越多，进而点位的可靠性也越好。

卫星可见数与高度截止角直接相关，高度截止角指的是从平面开始朝向空中方向的一个角的大小。高度截止角主要用来控制接收机接收卫星的颗数，因为通常低角度的卫星信号干扰都会比较大。

如图3所示，ε为高度截止角；α为卫星观测角度；λ为卫星覆盖地面的地心角；h为卫星轨道高度；R_e为地球半径。

卫星覆盖地面的地心角λ为：

轨道高度为h的卫星S与地面站的临界距离SF为：

当卫星与地面站的距离小于该临界距离时，认为该卫星可见。

步骤6：计算位置精度因子；

精度因子DOP值(Dilution of Precision)是评估卫星导航系统定位性能的重要手段之一，精度因子提供了用户—卫星几何分布的简单描述，几何分布越好，DOP值就越小，而在同等用户等效距离误差(UERE)下，DOP值越小，代表星座分布结构越好，定位精度就越高。DOP有以下几种常用的参数：几何精度因子GDOP、位置精度因子PDOP、水平精度因子HDOP、垂直精度因子VDOP和时间精度因子TDOP，分别表征位置或时间解的各分量的精度。

由于定位精度的计算公式为

定位精度＝UERE×PDOP (4)

因此互操作性分析过程中主要分析位置精度因子PDOP。

设描述用户到卫星几何关系的几何矩阵G为

其中，

l₁,l₂,…,l_k,m₁,m₂,…,m_k,n₁,n₂,…,n_k--用户到卫星几何关系的几何矩阵中的参数。

在伪距测量误差是零平均，定位精度误差与时钟偏差也是零平均的模型中，我们可得

H＝(G^TG)^-1 (6)

用H_ij表示对角矩阵H中对角线上的第i个元素，可以求得PDOP值为：

步骤7：分析定位服务可用性；

定位服务可用性的定义为：指定区域、时间间隔内满足一定标准的定位结果占整个时间的百分比。可用性是系统在某一指定覆盖区域内提供可以使用的导航服务的能力的标志。在实际工程运用中，卫星定位的可用性主要受跟踪到的可见星数及其分布的几何图形这两个重要因素的影响。

本发明给出了一种系统服务可用性的计算方法，即假设测试时间段为[t_start,t_end]，用户机采样间隔记为T，则系统服务的可用性指标CV_l的计算公式为：

则覆盖区内系统服务可用性的表达形式为

若k时刻定位误差EPE_k满足一定标准f_Acc，则bool()函数取1，否则取0。a_l表示每个区域采集的有效数据个数。

本发明提供的一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法，给出了导航卫星星座兼容与互操作的定义及分析方法，具体具有以下优点：

(1)本发明提出的星座兼容与互操作定义，与通常的信号、时间、坐标兼容与互操作含义不同；且提出的分析方法工程可实现性强；

(2)其中兼容性主要从长期演化和碰撞概率两方面进行分析，本发明给出了中轨卫星的受摄影响和长期演化规律，并给出了一种碰撞概率的计算方法；

(3)互操作性主要从位置精度因子、定位服务可用性和卫星可见性进行分析，分别给出了卫星可见性、位置精度因子、定位服务可用性的计算方法和影响因素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种导航卫星星座兼容与互操作分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算碰撞概率；

统计采样时刻每个空间网格内的碎片数，如果同一个网格内的碎片数目大于或等于两个，则认为这些卫星两两之间具有一定的碰撞概率，并计算碰撞概率；将其与碰撞概率门限值进行比较，如果计算得到的碰撞概率小于碰撞概率门限值，则认为不发生碰撞；

如果同一个网格内的碎片数目大于或等于两个，则两卫星i和j之间的碰撞概率为：

P_i,j＝ρ_iρ_jv_ijSdU (1)

其中，

ρ_i,ρ_j--卫星i和j在空间体元内的空间密度；

v_ij--卫星i和j的相对速度大小；

S--碰撞横截面积；

dU--空间体元的体积；

将计算得到的碰撞概率P_i,j与碰撞概率门限值

比较，根据蒙特卡洛模拟的基本思想，如果

认为卫星i和j间不会发生碰撞；

步骤2：分析定位服务可用性；

卫星定位的可用性主要受跟踪到的可见星数及其分布的几何图形这两个重要因素的影响；

给出一种系统服务可用性的计算方法，即假设测试时间段为[t_start,t_end]，用户机采样间隔记为T，则系统服务的可用性指标CV_l的计算公式为：

则覆盖区内系统服务可用性的表达形式为

若k时刻定位误差EPE_k满足一定标准f_Acc，则bool()函数取1，否则取0；a_l表示每个区域采集的有效数据个数。

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