“北斗二代”卫星导航系统的星座设计.pdf

1、“ 北斗 二代 ” 卫星 导航 系统 的星 座设 计 孙奉翮(抚 顺市 政工 程设 计研 究院 有限 责任 公司 ，辽 宁 抚 顺 1308)【摘要 】 本 文阐 述了 “ 北 斗二 代 ” 的 星座 设计 需要 考虑 的问 题 ， 另 外基 于北 斗史 无前 例的星 座设 计方 案 （ 中 轨卫 星 MEO+地 球同 步卫 星 GEO+倾 斜地 球同 步轨 道卫 星 IGSO） ， 增 加星间 链路 ，搭 载北 斗接 收机 ，增 加天 线等 方法 进行 卫星 自主 定轨 。 【 关键 词】 北 斗二 代； 星座 设计 ；自 主定 轨Abstractthisarticlelaborated“t

2、hetwogenration“oftheconstelationdesignconsidertions,ndthrwasnparllihistry.BasedoBeiducostelatiosigschem(satelitMEO+geostationarsatelitGEO+inclidgesynchronussatelitIGS),incrasesiter-tlitlink,withBeiourceiver,icreasethantenaforsatelitutonmousorbitdtrmination.Keywordsthetwogenration;constelationdesign;

3、autonmousorbitdtrmination中 图 分 类 号 ： G23. 文 献 标 识 码 ： A文 章 编 号 ：2095-2104（ 2012）1、 、 、 、 引言 引言 引言 引言美 国的 GPS、 俄罗 斯的 GLONAS促 进了 导航 定位 理论 的发 展与 应用 ，也 促进 了相 关产业 的发 展 。 继 美国 、 俄 罗斯 ， 中 国与 欧盟 先后 启动 建设 自己 的卫 星导 航系 统北 斗导 航系 统北斗 系统 和 Galieo系 统。 北斗 导航 系统 分为 “ 北 斗一 代 ” 与 “ 北 斗二 代 ” ， 自二 十世 纪八 十年代 独立 建设 ，于 203

4、年 完成 北斗 卫星 导航 验证 系统 “ 北 斗一 代 ” ， 多 个领 域得 到了 广泛 的应用 。 接 着开 始新 一代 的全 球导 航定 位系 统的 建设 “ 北 斗二 代 ” 。 北 斗卫 星导 航系 统集 导航 定位 、 授 时 、 用 户监 测 、 短 报文 通信 于一 体 ， 是 国家 重要 的基 础设 施 ,也 是国 际导 航系 统的 重要 组成 部分 发展 独立 自主 的卫 星导 航系 统也 是国 家的 重大 国策 。2、 、 、 、 北斗二代卫星导航系统 北斗二代卫星导航系统 北斗二代卫星导航系统 北斗二代卫星导航系统 “ 北 斗一 代 ” 卫 星导 航系 统的 工作 原

5、理 、 技 术手 段 、 设 备等 受限 于当 时的 国情 ， 在 定位精 度 、 可 靠度 、 速 度等 方面 效果 差 ， 并 且只 是区 域性 的 ， 虽 然 ， “ 北 斗一 代 ” 的 运营 成功 也为 下一 代的 导航 系统 “ 北 斗二 代 ” 的 建设 提供 宝贵 的经 验。 我国 正在 组建 的 “ 北 斗二 代 ” 采用 单程 无源 定位 ，定 位原 理与 GPS等 相同 ，提 供全 球性 的定 位导 航服 务， 系统 构成 等与 GPS类 似 ， 包 括空 间部 分 、 地 面监 控部 分 、 用 户部 分 。 空 间部 分包 括卫 星 、 卫 星星 座 ， 地 面监 控

6、部 分包 括主 控站 、监 测站 等， 用户 部分 包括 接收 机、 天线 等。 北斗 二代 系统 组建 时应 借鉴 、参 考 GPS系 统， 并且 采用 更为 先进 的技 术手 段和 方法 ，改 进 GPS等 已有 系统 的不 足之 处。2.1开 普勒 轨道 根数 卫 星在 地心 赤道 坐标 系 O-XYZ中 的运 动 ， 地 心赤 道坐 标系 的原 点在 地球 质心 ， X轴 在赤 道面 内 ， 指 向春 分点 ， Z轴 垂直 赤道 面 ， 与 地球 自转 角速 度方 向一 致 ， Y轴 与 X轴 、 Z轴构 成右 手系 ， 如 图 2所 示 。 为 确定 卫星 在卫 星轨 道上 的运 动

7、 ， 取 6个 轨道 要数 ， 也 称为 开普勒 轨道 根数 。 1） 椭 圆轨 道的 长半 径sa2） 椭 圆轨 道的 偏心 率 se3） 卫 星轨 道面 与赤 道面 的夹 角， 即轨 道倾 角 i4） 升 交点 赤经 ， 卫 星由 南半 球飞 往北 半球 与赤 道的 交点 为升 交点 ， 升 交点 赤经 是升交 点与 春分 点的 夹角 。5） 卫 星轨 道面 上近 地点 与升 交点 之间 的地 心角 距s， 即近 地点 角距6） 卫 星轨 道面 上卫 星与 近地 点之 间的 地心 角距 f， 即真 近点 角。其 中sa和 se确 定 了 开 普 勒 轨 道 的 大 小 和 形 状 ， i和

8、 唯 一 地 确 定 卫 星 轨 道 与 地 球 之 间的 夹角 ， s确 定了 开普 勒椭 圆在 轨道 面上 的定 向， f确 定了 卫星 在轨 道上 的瞬 时位 置。图 2卫 星轨 道参 数2.Walker星 座卫 星 星 座 可 以 这 样 定 义 :具 有 相 似 的 类 型 和 功 能 的 多 颗 卫 星 ， 分 布 在 相 似 的 或 互 补 的 轨道 上 ， 在 共 享 控 制 下 协 同 完 成 特 定 的 任 务 。 星 座 设 计 常 采 用 的 卫 星 星 座 有 R星 座 ， 玫 瑰 星座 ， Walker2D星 座等 。 其 中 Walker星 座以 其独 特的 优势

9、 ， 成 为导 航卫 星星 座设 计中 的首 选 。alker在 研 究 了 给 定 卫 星 数 量 的 情 况 下 ， 就 如 何 设 计 星 座 使 得 覆 盖 面 积 最 优 的 问 题 ，提 出了 一系 列的 星座 ， 后 来经 过 Balrd的 扩充 改进 ， 形 成了 被国 际上 广泛 使用 的 Walker星座 体系 。Walker具 有很 好的 对称 性， 星座 采用 圆轨 道， 星座 中所 有轨 道平 面的 倾角 相同 ，各 个轨 道平 面的 升交 点在 赤道 圆周 上均 匀分 布 ， 每 个轨 道面 上的 卫星 数相 同 ， 各 个轨 道面 上的 卫星 等间 隔分 布 ，

10、为 使不 同轨 道的 卫星 覆盖 区能 够实 现最 好的 结合 ， 相 邻轨 道面 卫星 间的 初始轨 道位 置相 隔一 定的 间隔 ， 称 为星 间相 位 。 Walker星 座共 有 4个 参数 ， 按 照其 星座 的惯 用符号 和表 示方 法 ， 可 简单 记为 ： i:T/P/F。 其 中 ， i为 卫星 轨道 倾角 ， T为 卫星 总数 ， P为卫 星轨 道数 目， F是 相位 因子 且 0 F P1。 例如 全球 定位 系统 GPS的 最初 星座 计划为 ，轨 道倾 角 63 ， 总卫 星数 24颗 ，卫 星轨 道数 目 3。2.3北 斗二 代星 座设 计人 造地 球卫 星按 轨道

11、 高度 可分 为， 低轨 卫星 LEO， 中轨 卫星 MEO， 高轨 卫星 HEO， 地球 静止 卫星 GEO。 图 3给 出了 各种 轨道 的高 度比 较示 意图 ，各 种轨 道均 以 0 倾 角画 出。图 3卫 星轨 道高 度比 较示 意图图 中所 示的 内 、 外 范 艾 伦辐 射带 由于 包含 大量 电子 对电 子电 路的 破坏 性 ， 选 择卫 星轨道 时避 开这 两个 区域 ， 卫 星轨 道较 低时 ， 大 气阻 力对 卫星 的影 响不 能忽 略 ， 一 般认 为轨 道高度 70km 时 ，大 气阻 力严 重影 响卫 星的 飞行 ，缩 短卫 星的 寿命 ，轨 道高 度 10km 时

12、 ，大 气阻 力的 影响 可以 忽略 。所 以， 实际 可用 的轨 道高 度如 表 1所 示。表 1各 种类 型卫 星的 轨道 可用 范围轨 道类 型 卫 星高 度（ km ）LEO 70150MEO 80200GEO 35786HEO 远 地点 400星 座设 计的 首要 考虑 的是 以最 少数 量的 卫星 实现 对指 定区 域的 连续 覆盖 ， 北 斗二 代的 卫星 采用 的是 中轨 卫星 MEO+地 球静 止卫 星 GEO+倾 斜地 球同 步轨 道卫 星 IGSO组 成。地 球静 止卫 星 GEO覆 盖面 积广 ， 与 地球 相对 静止 ， 便 于管 理 ， 在 卫星 通讯 领域 有绝

13、对优 势 ， 但 是无 法为 高纬 度特 别是 两极 地区 提供 覆盖 ， 星 间链 路损 耗大 ， 通 讯时 延长 。 中 轨卫星 相比 GEO卫 星具 有较 小的 传输 损耗 和通 信时 延 ， 并 且容 易实 现全 球覆 盖 ， 而 地球 同步 轨道 卫星 IGSO主 要解 决高 纬度 、极 地地 区信 号覆 盖问 题。首 先 考 虑 卫 星 轨 道 高 度 ， GEO、 IGSO卫 星 的 轨 道 高 度 很 好 确 定 ， 中 轨 卫 星 MEO的 轨道 高度 则根 据其 运行 周期 （速 度） 确定 ，运 行周 期sT与 轨道 高度 h的 关系 为：3/22( )es hRT u+

14、=其 中，eR为 地球 半径 ， u为 开普 勒常 数。对 中轨 卫星 ，采 用回 归轨 道， 使其 星下 点轨 迹每 日重 复， 星座 的覆 盖特 性以 日为 周期 ，在 每天 的一 个时 间段 里通 过某 个固 定的 区域 ， 有 利于 对固 定区 域的 覆盖 ， 例 如 GPS卫 星的 运行 周期 是 1h58m in。 回归 轨道 可供 选择 的轨 道有 20183km 、 1392km 、 1035km ， 轨道 高度影 响到 星座 的覆 盖性 能 ， 轨 道越 高卫 星的 覆盖 范围 就越 大 ， 应 该尽 量采 用高 轨道 ， 北 斗二 代中 轨卫 星轨 道高 度为 2150km

15、 。图 4给 出了 4组 轨道 偏心 率随 轨道 高度 变化 的 GDOP全 球平 均值 。随 着轨 道偏 心率 的提 高 ，GDOP增 大 ， 定 位精 度下 降 。 另 外大 偏心 率轨 道会 穿越 范 艾 伦辐 射带 ， 可 能导 致卫 星机 械电子 设备 的故 障， 对卫 星由 损害 ，因 此应 该选 用圆 形或 近圆 形的 小偏 心率 轨道 。图 4轨 道偏 心率 随轨 道高 度的 变化其 次考 虑卫 星轨 道倾 角。 轨道 倾角 影响 到覆 盖范 围， 低轨 道倾 角对 中低 纬覆 盖性 好 ， 而高 纬度 地区 覆盖 性差 。俄 罗斯 的国 土大 部分 位于 中高 纬地 区， 为

16、更 好地 实现 本土 信号 覆盖 ，所 以 GLONAS系 统的 轨道 倾角 设计 为 64.8 。 而美 国 GPS轨 道倾 角为 5 ， 与其 国土 纬度分 布相 适应 。 同 样 ， 我 国纬 度范 围与 美国 相似 ， 在 轨道 倾角 设计 方面 与 GPS轨 道倾 角相 差不远 ， 5 左 右。星 座设 计应 使卫 星星 座在 系统 建设 期间 能够 提供 不同 的性 能台 阶 ,并 在个 别卫 星出 现故 障时 仍能 降阶 运行 。 轨 道平 面数 较少 的星 座具 有明 显的 优势 。 另 外在 卫星 数目 一定 的情 况下 ， 增 加轨 道平 面数 将使 定位 精度 下降 。

17、GPS系 统的 星座 设计 最初 也是 3个 轨道 面 ， 后 来由 于计 划卫 星数 目由 24降 低为 18颗 ， 综 合考 虑覆 盖范 围 ， 将 轨道 面调 整为 6个 。 GLONAS系 统星 座设 计采 用 3个 轨道 面 ， 每 个轨 道面 均匀 覆盖 8颗 卫星 。 北 斗二 代星 座设 计轨 道面 数同 样为 3个 。3、 、 、 、 结束语 结束语 结束语 结束语 北 斗二 代星 座设 计从 性能 与投 入比 的角 度出 发 ,MEO卫 星采 用回 归轨 道 ， 高 度在 2150km（ 北斗 -M1的 轨道 高度 ） ,从 满足 星座 性能 台阶 ,提 高定 位精 度和

18、节省 能量 的角 度出 发 ,在卫 星总 数一 定的 情况 下 ,应 将较 多的 卫星 分布 在较 少的 轨道 面内 。轨 道半 长轴 尽量 取小 ， 选用 小偏 心率 的圆 形及 近圆 形轨 道 。 在 “ 北 斗二 代 ” 组 网建 设过 程中 ， 应 该考 虑卫 星自 主定 轨 、精 密定 轨 ， 使 卫星 之间 相互 观测 的能 力 ， 解 决 Walker星 座 （ MEO卫 星 ） 自 主定 轨时 秩 亏等问 题， 提高 GEO、 IGSO的 定轨 精度 。此 外 ， 导 航定 位中 ， 由 于各 种不 同类 型的 卫星 轨道 高度 不同 ， 一 方面 不 同轨 道卫 星定 轨误

19、差不 同 ,另 一方 面由 于电 磁波 传播 环境 、距 离有 很大 差异 ，用 户所 得到 的观 测量 精度 也不相 同 ,因 此精 密定 位精 度计 算和 分析 时必 须要 考虑 这种 差异 。参考文献1杨 元喜 .北 斗卫 星导 航系 统的 进展 、贡 献与 挑战 J.测 绘学 报 .201.02,39(1):1 52戴 邵武 ,马 长里 ， 李 宇 ， 代 海霞 .基 于 “ 北 斗二 代 ” 的 卫星 星座 设计 J.海 军航 空工 程学院 学报 .201.01,25(1):1 53范 龙， 柴洪 洲 .北 斗二 代卫 星导 航系 统定 位精 度分 析方 法研 究 J.海 洋测 绘 .209.01,29(1):25 4“北斗二代”卫星导航系统的星座设计作者： 孙奉翮作者单位： 抚顺市政工程设计研究院有限责任公司刊名： 城市建设理论研究（电子版）英文刊名： ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu年，卷(期)： 2012(27)本文链接：http:/