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基于不同轨道高度iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究

2014-05-13徐小钧艾国祥马利华林荣超

天文研究与技术 2014年4期
关键词:通信卫星测站星座

徐小钧,艾国祥,马利华,林荣超

(1.中国科学院国家天文台,北京 100012;2.中国科学院大学,北京 100049)

基于不同轨道高度iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究

徐小钧1,2,艾国祥1,马利华1,林荣超1,2

(1.中国科学院国家天文台,北京 100012;2.中国科学院大学,北京 100049)

基于通信卫星的导航系统可以利用比地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)高约200 km的倾斜高圆轨道(inclined Highly Circular Orbit,iHCO)通信卫星组成导航星座。结合两种轨道高度的倾斜高圆轨道通信卫星,仿真分析了利用倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统(Chinese Area Positioning System,CAPS)的导航性能,并讨论了利用倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统实现中国区域覆盖的最佳星座布局。

中国区域定位系统;地球静止轨道通信卫星;倾斜高圆轨道通信卫星;导航星座

CN53-1189/P ISSN1672-7673

2002年11月,中国科学院的科研人员开始研发基于地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)通信卫星的中国区域定位系统(Chinese Area Positioning System,CAPS)。2005年5~6月,建成中国区域定位系统演示验证系统,并通过测试验收。该系统利用通信卫星转发器转发地面站发出的时频信号和导航电文,用户接收实现定位、测速和授时[1-3]。在日月引力等摄动作用下,寿命末期的地球静止轨道通信卫星轨道倾角逐渐增大,地球静止轨道卫星逐渐漂移成为小倾角的倾斜地球同步轨道(Slightly Inclined Geostationary Orbit,SIGSO)卫星,中国区域定位系统利用倾斜地球同步轨道通信卫星组建导航星座,实现了只用卫星的三维定位。另外,倾斜地球同步轨道通信卫星上丰富的转发器资源可用于开展三频、多频高精度导航的研究并支持导航通信一体化开发[4-6]。近年来,为了解决卫星轨位和频率稀缺等问题,中国区域定位系统星座中引入倾斜高圆轨道(inclined Highly Circular Orbit,iHCO)卫星,可以实现全球范围的导航通信覆盖[7]。

1 倾斜高圆轨道通信卫星

将寿命末期的地球静止轨道通信卫星推到高于地球静止轨道约150~300 km的倾斜高圆轨道,在此轨道内运行的卫星称为倾斜高圆轨道卫星。倾斜高圆轨道卫星相对地球向西漂移,约90~180 d绕地一周。图1为高于地球静止轨道150 km和300 km的倾斜高圆轨道卫星星下点轨迹示意图。倾斜高圆轨道卫星在运行过程中,不做经度和纬度方向的控制,因此能减少星上燃料的消耗,大幅度延长卫星工作寿命。利用倾斜高圆轨道通信卫星的优点包括①马利华.CAPS利用iHCO卫星技术方案[R].北京:国家天文台CAPS技术报告,2013.:(1)没有固定通信卫星轨位和频率协调问题,空分多址,实现通信卫星扩展空间利用;(2)燃料主要用来调整卫星对地姿态,有效降低星载燃料消耗,大幅度延长卫星工作寿命,可以实现通信卫星的全寿命周期利用;(3)在日月引力摄动作用下,卫星倾角逐渐增大②经姚翔.GEO弃置轨道卫星的运动规律[R].北京:国家天文台CAPS技术报告,2012.,改善了中国区域定位系统导航星座空间布局,成倍提高系统导航定位性能;(4)在全球对倾斜高圆轨道卫星上行信号,可以实现全球范围的导航通信覆盖;(5)卫星工作到燃料彻底用尽,实现空间废弃资源再利用。

图1 高于地球静止轨道高度为150 km(上)和300 km(下)的倾斜高圆轨道卫星星下点轨迹示意图Fig.1 The SSP(Sub-Satellite Point)trajectory of an iHCO satellite at 150km above the GEO(upper panel) and that of an iHCO satellite at 300km above the GEO(lower panel)

利用倾斜高圆轨道通信卫星组成导航星座涉及轨道优选、轨位申报、通信频率协调、全球遥测遥控等内容。倾斜高圆轨道卫星轨道越高,其所在区域空间碎片分布密度越低,卫星与碎片碰撞的概率越小;同时,卫星被推离地球静止轨道越高,消耗燃料也越多。因此,需要优选倾斜高圆轨道高度。文[8]分析了地球静止轨道附近碎片分布情况,结果表明:比地球静止轨道高100 km以上,碎片的分布密度都非常低。同时,摄动作用会引起卫星轨道高度发生起伏,不同轨道参数导致轨道高度的起伏程度也不相同。结合地球静止轨道通信卫星的实际状况,卫星操作者建议:对于早期发射的地球静止轨道通信卫星,倾斜高圆轨道高度可选为高于地球静止轨道150 km;对于近期发射的地球静止轨道通信卫星,倾斜高圆轨道高度可选为高于地球静止轨道300 km。本文选择高于地球静止轨道150 km和300 km两个高度作为倾斜高圆轨道高度,并结合中国区域定位系统星座组成,分析利用两种轨道高度倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统导航星座的性能。

2 结合倾斜高圆轨道卫星的CAPS星座空间布局

中国区域定位系统星座由轨位分别位于87.5°E和110.5°E的2颗地球静止轨道卫星,和轨位分别位于51.5°E、71.7°E、130°E和163°E的4颗SIGSO卫星组成。SIGSO卫星轨道倾角统一设置为3°,两颗SIGSO卫星过赤道的时间差取决于卫星星下点的经度差③经姚翔,张云彤.地球同步卫星轨道相位分析[R].北京:国家天文台CAPS技术报告,2009.。赤道面内3颗均匀分布的倾斜高圆轨道卫星可以覆盖全球,仿真中采用6颗倾斜高圆轨道卫星参与中国区域定位系统星座组成。其中3颗倾斜高圆轨道卫星等间隔分布在高于地球静止轨道150 km的圆轨道上(以下简写为150 km倾斜高圆轨道),另外3颗倾斜高圆轨道卫星等间隔分布在高于地球静止轨道300 km的圆轨道上(以下简写为300 km倾斜高圆轨道)。倾斜高圆轨道卫星轨道倾角统一设置为10°。根据倾斜高圆轨道卫星入轨位置不同,表1给出了12种星座组合。在仿真分析起始时刻,3颗150 km倾斜高圆轨道卫星和3颗300 km倾斜高圆轨道卫星的升交点经度相同。考虑到150 km倾斜高圆轨道卫星相对地球漂移的速度是1.92°/d,而300 km倾斜高圆轨道卫星相对地球漂移的速度是3.84°/d,在同一轨道高度上相邻两颗倾斜高圆轨道卫星的升交点经度的差值为120°,因此,综合分析星座性能的时间段至少为63 d。

表1 倾斜高圆轨道卫星入轨时的升交点经度Table 1 The longitudes of the ascending nodes of the chosen iHCO satellites

3 结合倾斜高圆轨道卫星的CAPS导航星座分析

卫星导航定位系统的定位精度主要取决于星座空间布局和测距误差。通常使用精度衰减因子(Dilution of Precision,DOP)描述星座空间布局的优劣,精度衰减因子数值越小,表明星座布局越好。由于三维位置精度衰减因子PDOP可直接用于标定星座覆盖区域、分析星座可用性和用户三维定位精度等,所以位置精度衰减因子常被作为评价星座空间布局优劣的空间构图指标。本文利用STK软件分析了结合倾斜高圆轨道卫星的中国区域定位系统导航星座布局。STK是Satellite Tool Kit的简称,该软件是由美国Analytical Graphics公司开发的一款在航天领域处于领先地位的商业分析软件,支持包括设计、测试、发射、运行和任务应用等航天任务的全过程[9-10]。

本文从中国东部、西部、南部、北部和中部分别选取北京、上海、漠河、长春、台北、三亚、昆明、拉萨、喀什、乌鲁木齐、酒泉和西安等12个地点作为测站,并设置观测站的截止高度角为10°,分析时段取为120 d,步长5 min。分别计算12个测站在上述12种星座组合下位置精度衰减因子最大值、最小值和平均值,并绘于图2中。

可见,12个测站在不同的星座组合下的位置精度衰减因子最小值和平均值几乎无变化,分别处于6和10左右;位置精度衰减因子最大值起伏则分布于25到70之间。漠河测站在所有星座组合中位置精度衰减因子最大值均保持较大数值。

不同星座组合下测站位置精度衰减因子最小值和平均值变化较小的主要原因是:在地心地固坐标系下,倾斜高圆轨道星座的运行周期为62.5 d,分析时段120 d则接近两个周期,所以在该分析时段内不同的星座组合的平均效果基本相同。因此,此时衡量星座布局优劣,应该侧重该时间段内位置精度衰减因子最大值。星座5在120 d内的位置精度衰减因子最大值较小,所以星座5是最优星座。当150 km倾斜高圆轨道卫星和300 km倾斜高圆轨道卫星的升交点经度重合时,测站观测到的同经度两颗卫星的夹角非常小,此时星座布局最差。由于中国经度范围约为73°E至135°E,恰好避开星座5出现布局最差的弧段,相反的,不同轨道高度倾斜高圆轨道卫星夹角较大时段持续最长,所以星座5在中国区域上空呈现出最佳效果。12个测站在该组合下的位置精度衰减因子最大值的平均值约为32。另外,漠河和长春测站由于纬度较高,两站卫星可见数目较少,导致星座布局差,位置精度衰减因子最大值也较大。上述12种星座中,除长春和漠河外,位置精度衰减因子最大值有相同变化趋势。主要原因是:星座5是最优星座,位置精度衰减因子最大值最小;而星座11中在中国区域可见倾斜高圆轨道卫星数目最少,星座布局差,位置精度衰减因子最大值也最大。所以,除长春和漠河外的中低纬度测站的位置精度衰减因子最大值都呈现出星座5出现最小值、星座11出现最大值的相同变化趋势。

图2 12个测站在12种倾斜高圆轨道星座组合情况下的位置精度衰减因子最大值、最小值和平均值Fig.2 Maximum,minimum,and mean PDOP values at 12 stations within 120 days for the 12 iHCO satellite configurations

4 结 论

本文通过分析不同测站在利用两种高度的倾斜高圆轨道通信卫星组成的中国区域定位系统导航星座的位置精度衰减因子值,优选了利用倾斜高圆轨道卫星实现中国区域覆盖的最佳星座布局。当轨道高度为150 km和300 km的倾斜高圆轨道卫星入轨时星下点经度分别为40°E、160°E、80°W时,星座布局最佳。中国区域定位系统短精码伪距测量误差σ0约为0.3 m,12个测站在最优星座5的情况下位置精度衰减因子最大值的平均值约为32,由于三维定位精度Mp=PDOP·σ0,所以该星座可以实现约10 m的定位精度。本文研究结果可为中国区域定位系统利用倾斜高圆轨道通信卫星组建导航星座的工程实现提供参考。结合全球定位系统和北斗系统导航信号,可以进一步提高卫星导航系统的定位性能。

[1] 艾国祥,施浒立,吴海涛,等.转发器卫星通信导航定位系统:中国,200410046064.1 [P].2009-7-29.

[2] Ai G X,Shi H L,Wu H T,et al.A positioning system based on communication satellites and theChinese Area Positioning System(CAPS)[J].Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics,2008,8(6):611-630.

[3] 艾国祥,施浒立,吴海涛,等.基于通信卫星的定位系统原理[J].中国科学(G辑):物理学力学天文学,2008,38(12):1615-1633.

[4] 施浒立,艾国祥,韩延本,等.退役卫星的多生命周期利用[J].中国科学(G辑):物理学力学天文学,2008,38(12):1731-1737.

[5] 韩延本,马利华,乔琪源,等.退役GEO通信卫星对改善CAPS系统PDOP的作用[J].中国科学(G辑):物理学力学天文学,2008,38(12):1738-1749.

[6] 马利华,经姚翔,季海福,等.基于STK的寿命末期GEO卫星轨道演化分析[J].天文研究与技术——国家天文台台刊,2011,8(4):347-353.

Ma Lihua,Jing Raoxiang,Ji Haifu,et al.Analysis of evolution of orbits of GEO satellites near end of life based on the STK software[J].Astronomical Research&Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China,2011,8(4):347-353.

[7] 马利华,艾国祥,崔君霞,等.一种利用iHCO通信卫星实现全球导航定位的方法:中国,201310325604.9[P].2013-7-30.

[8] 林荣超,马利华,艾国祥,等.基于iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究[J].天文研究与技术——国家天文台台刊,2014,11(3):230-238.

Lin Rongchao,Ma Lihua,Ai Guoxiang,et al.A study of the optimization of CAPS constellations of iHCO communication satellites[J].Astronomical Research&Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China,2014,11(3):230-238.

[9] 柴霖,袁建平,方群,等.基于STK的星座设计与性能评估[J].宇航学报,2003,24(4): 421-423.

Chai Lin,Yuan Jianping,Fang Qun,et al.STK-based constellation design and performance evaluation[J].Journal of Astronautics,2003,24(4):421-423.

[10] 杨颖,王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京:国防工业出版社,2005.

A Study of Optimization of a CAPS Constellation of iHCO Communication Satellites of Different Orbit Heights

Xu Xiaojun1,2,Ai Guoxiang1,Ma Lihua1,Lin Rongchao1,2
(1.National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012,China,Email:mlh@nao.cas.cn;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

The Chinese Area Positioning System(CAPS)is a satellite positioning system based on communication satellites.A set of inclined Highly Circular Orbit(iHCO)satellites,which are on orbits about 200 km above the Geostationary Earth Orbit(GEO),can be among the CAPS navigation constellation.In this paper we present simulations of a CAPS navigation constellation consisting of iHCO communication satellites of different orbit heights.We analyze the performance of the constellation using the simulation results and find the optimized scheme of the CAPS system covering China.

Chinese Area Positioning System(CAPS);Geostationary Earth Orbit(GEO);inclined Highly Circular Orbit(iHCO);Navigation constellation

P228.4

A

1672-7673(2014)04-0350-06

2013-12-25;

2014-01-20

徐小钧,女,硕士研究生.研究方向:导航星座优化.Email:xuxiaojun12@mails.ucas.ac.cn

马利华,男,研究员.研究方向:星座优化、高精度导航与应用天文学.Email:mlh@nao.cas.cn

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