张利伟 王茂磊 高杨

摘要：选取国内微厘空间低轨星座，通过分析低轨星座和GPS星座高低轨联合导航定位情况下卫星可见数变化、DOP值改善和落地电平大小，深入研究了低轨导航卫星星座对当前GPS导航卫星星座服务性能的增强效果。仿真分析表明，低轨卫星星座可对GPS星座导航服务性能实现约36%以上的增强，卫星可见数提高了约10倍；在信号方面，相同发射功率下落地电平可以提高约25 dB。

关键词：低轨；GPS；导航；STK；DOP

中图分类号：P228.4文献标志码：A文章编号：1008-1739（2023）05-57-5

0引言

当前全球共有四大卫星导航系统，成为了世界各国生活和经济发展不可或缺的一环。但在定位精度要求更高的自动驾驶、无人机编队汇演等新兴领域，传统的卫星导航系统已无法满足用户的需求，还存在落地电平低易受干扰、初次定位速度慢、战时星座受损遭毁情况下卫星补充速度慢等不足。以美国“星链”为代表的低轨巨型星座在世界范围内掀起了建设低轨卫星的热潮，具有星座弹性能力强、成本低等优点[1]，2021年加州大学基于多普勒定位原理实现了水平误差10 m、空间误差22.9 m的定位，验证了低轨卫星通信信号用于导航的可行性。

国内众多公司也开始谋划布局低轨星座，其中较为知名的有“鸿雁”通信星座、“虹云工程”、“微厘空间”星座[2]。未来低轨星座融合卫星导航将是导航产业发展的大趋势，具有很强的发展潜力。鉴于当前没有成熟的低轨系统，无法实际验证分析低轨星座融合卫星导航的服务性能，其中微厘空间星座于近期还在陆续发射新的卫星，因此选择微厘空间星座作为对象，分析低轨星座对卫星导航服务性能的增强效果。导航卫星星座中GPS应用最为广泛、服务时间最长，因此选择其作为分析对象。

1 GPS星座和微厘空间低轨星座

通过STK软件（11.2版本）对GPS星座和微厘空间低轨星座进行了仿真，不考虑高度截止角和低轨卫星波束角，GPS完整星座为Walker24/6/1，轨道高度约为20 200 km。其中微厘空间星座由倾斜轨道子星座Walker120/12/1和近极地轨道子星座Walker30/3/1两种星座混合而成，低轨卫星星座参数如表1所示[3]。

2仿真分析

3仿真结果

GPS卫星导航具有全天时、全天候的优点，同样也存在脆弱性、落地电平低、卫星数量少、冗余量低，且用户易受干扰，空间段在损失若干卫星后将严重制约全球导航能力的生成。低轨星座数量庞大、发射成本低、补网速度快，可以弥补目前GPS卫星导航的缺点。从全GPS星座联合微厘空间星座、部分GPS卫星联合微厘空间星座、仅微厘空间星座共3个场景分析低轨卫星星座对GPS星座的增强效果，最后对信号强度进行计算分析。

3.1微厘空间星座联合全GPS星座服务性能

在日常条件下，可联合GPS星座、微厘空间星座为用户提供导航定位服务，为部分重点用户提供高强度信号的服务。

3.1.1卫星可见数

GPS星座采用STK软件默认的星座，共31颗卫星，分布在6个轨道面，地面最低可视角度为0°。接收机最少需要同时可视4颗卫星才能完成定位解算，卫星数量越多，接收机可选择用于定位的卫星就越多，多余观测数越多，还可以剔除某些觀测角度不好的卫星，实现更好的定位效果。通过仿真分析推算了不同纬度下GPS可见数的改善情况，仿真表明低纬度增加的卫星数量最少约8颗，中高纬度内可见卫星数增加较多约为11颗，GPS星座联合微厘空间星座不同纬度的卫星可见数如图1和表2所示。

3.1.2 DOP值

全球平均DOP值由1.53改善为0.975，提高了36.3%，南北纬40°～60°区间定位性能最好。根据式（1），可以得出在用户等效距离误差不变的情况下，定位精度可以提高约36%，GPS星座和微厘空间星座联合下DOP值随纬度的变化情况如图2所示。

3.2低轨星座联合部分GPS卫星服务性能

GPS星座由6个轨道面组成，每个轨道面4颗卫星，可实现全球任意区域的导航信号增强，但是卫星数量较少，在损失若干卫星后其全天时的导航能力将失能。按照每个轨道面分别保留3颗或2颗卫星分析其定位性能，以及加入低轨星座后的改善程度。

3.2.1卫星可见数

GPS星座的每个轨道面保留3颗卫星，经仿真全球范围内卫星可见数为9.45颗。加入低轨星座后，卫星可见数为17.6颗。每个轨道面3颗GPS卫星和微厘空间星座卫星可见数如表3和图3所示。

GPS星座的每個轨道面保留2颗卫星，经仿真全球范围内卫星可见数平均值为4.5颗。加入低轨星座后，卫星可见数为15颗。每个轨道面2颗GPS卫星和微厘空间星座卫星可见数如表4和图4所示。

3.2.2 DOP值

GPS星座每个轨道面有3颗卫星的情况下，经仿真计算，其全球DOP值平均为2.6。加入低轨卫星后全球DOP值平均为1.12，提高了132%，相较于仅GPS完整星座提高了26.7%。图5为保留3颗卫星的GPS星座全球DOP值仿真结果，图6为加入低轨星座后的仿真结果，仿真表明每个轨道在损失1颗卫星的情况下，其定位性能下降了70%。

GPS星座每个轨道面有2颗卫星的情况下，经仿真计算，其全球DOP值平均为9.9。加入低轨卫星后全球DOP值平均为1.26，相较于仅GPS完整星座提高了17.6%。图7为保留2颗卫星的GPS星座全球DOP值仿真结果，图8每个轨道面2颗GPS卫星和微厘空间星座卫星DOP值。

3.3仅低轨星座服务性能

3.3.1卫星可见数

考虑到GPS星座受损的极限情况，下面分析了仅低轨星座的定位性能。经仿真分析，低轨星座全球范围内可见数平均值为10.36颗，微厘空间卫星可见数如表5和图9所示。

3.3.2 DOP值

在低轨星座的单独支撑下，同样具备全球导航定位能力，经仿真计算，平均DOP值为2.12，如图10和图11所示。

以轨道高度代表卫星与用户之间的距离，粗略计算在GPS L2导航信号频率下GPS卫星空间损耗和低轨卫星损耗。其中GPS卫星轨道高度为20 200 km，L2信号频率为1.228 GHz。经计算GPS卫星导航信号空间损耗为120.33 dB，微厘空间倾斜轨道卫星导航信号空间损耗为94.01 dB，微厘空间近极轨道卫星导航信号空间损耗为95.81 dB。可以得出在卫星发射功率相同的情况下，微厘空间的落地电平相较于GPS卫星高了约25 dB。较大的落地电平将对原有的GPS导航信号产生不可忽视的同频干扰。

GPS星座和低轨导航星座的联合定位必须要解决大小信号的问题，在GPS卫星信号强度保持不变的情况下，需要降低低轨卫星的发射功率来降低对GPS卫星信号的影响，由于C/A码具有25 dB抗干扰能力[5]，因此低轨卫星的导航信号在相同发射功率下将对GPS本身信号产生不可接受的干扰，影响GPS和低轨导航的联合使用。GPSIII卫星可以实现约20 dB的信号增强[6]，当GPS卫星发射功率最大时，低轨卫星也需要进行相应的功率调整，在联合运维的情况下，高低轨卫星落地信号强度应保持高低轨落地电平值小于25 dB值，最好是达到同等的落地电平值，实现GPS卫星和低轨导航卫星之间的兼容互操作以及全球范围内高低轨卫星导航信号协同增强更好地服务重要用户。

4结束语

本文基于GPS卫星导航星座和微厘空间星座，通过对不同场景下GPS星座联合低轨星座的定位性能进行分析仿真，结果表明，其定位性能相较于仅完整的GPS星座约有17.6%～36.3%的提升，最后分析了落地电平的互扰情况，分析表明相同卫星发射功率下低轨落地信号强度提升约25 dB，将对GPS卫星信号产生不可接受的影响，在联合运维过程中需要配合协同，使落地电平差值保持在较小水平。

参考文献

[1]李陆，郭莉丽，王克克."星链"星座的军事应用分析[J].中国航天，2021（5）：37-40.

[2]徐小涛，庞江成，李超.星座卫星移动通信系统最新发展及启示[J].国防科技，2021，42（1）：100-105.

[3]江旭东，陈潇，马满帅，等.典型低轨卫星星座导航增强性能对比性评估研究[J].全球定位系统，2021，46（2）：49-55.

[4] DONNELL M O，FISHER J，SIMPSON S，et al.Galileo Performance：GPS Interoperability and Discriminators for Urban and Indoor Environments[J].GPS World，2003，14（6）： 38-45.

[5]宋颖凤，葛海龙，王四红.对GPS的干扰与抗干扰技术研究[J].舰船电子工程，2004（6）：26-30.

[6]孙进，初海彬，董海青，等.导航卫星系统功率增强技术与覆盖范围研究[J].测绘学报，2011，40（S1）：80-84.