中国区域卫星定位系统星座布局的选择

中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008年 第38卷 第12期: 1671 ~ 1686 1671《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS中国区域卫星定位系统星座布局的选择 韩延本*, 马利华, 乔琪源, 尹志强, 艾国祥中国科学院国家天文台, 北京 100012* E-mail: hyb@收稿日期: 2008-09-03; 接受日期: 2008-09-30中国科学院知识创新工程重大项目(编号: KGCX1-21)及国家重点基础研究发展计划(编号: 2007CB815501)资助项目摘要 基于转发式卫星导航定位系统的思路, 以与导航定位精度有密切关系的星座的位置精度衰减因子(Position Dilution of Precision, PDOP)在中国区域的分布和变化为主要评判依据, 分析讨论由静止通信卫星和倾斜轨道同步通信卫星组成转发式中国区域定位系统星座的初步计划. 我们重点考虑倾斜轨道同步卫星的3个主要的轨道参数, 即轨道倾角、偏心率及升交点赤经的变化对PDOP 的影响, 通过仿真计算研究了该区域导航定位系统优良星座的布局方案. 对多种星座布局分析比较的初步结果表明, 设置3颗位于一组使‘8’字形星下点共迹的倾斜轨道同步通信卫星, 它们的轨道倾角约为50°, 卫星升交点的赤经差为120°, 且其星下点轨迹的对称中心处在115°E 附近, 与4颗或5颗分布于约60°E 至165°E 轨位处的静止通信卫星组成转发式中国区域卫星定位系统的星座, 可以满足对中国陆地和海疆的有效覆盖, 可获得相对高精度的导航定位结果. 给出了3个相对优秀的星座结构的初步结果, 并讨论了有关的问题.关键词 卫星定位 区域定位系统 星座 CAPS转发式中国区域卫星导航定位系统(Chinese Area Positioning System, CAPS)计划利用一定数量的赤道同步轨道(GEO)通信卫星, 再发射一定数量的倾斜同步轨道(IGSO)通信卫星组成星座, 通过卫星上的信号转发器转发来自地面控制中心的原子钟信号和导航电文, 进行导航定位[1]. 与全部发射专用的导航卫星相比, CAPS 投入的费用相对较少, 特别是不使用星载原子钟, 既避开了星载原子钟在制造和维护方面难度大、费用高的困难, 又减少了相对论效应对导航定位精度的影响. 因此CAPS 具有成本低、建设周期短的特点. 在前几年研制CAPS 验证系统时, 因为当时尚未发射IGSO 通信卫星, 而采用了4颗GEO 通信卫星. 当然这样的星座还不能进行三维导航定位, 为此CAPS 的用户终端采用了气压测高技术确定用户的高程, 进而可求解观测方程的约束解, 实现较好精度的三维导航定位[2,3]. 这表明, 利用信号转发方式组建韩延本等: 中国区域卫星定位系统星座布局的选择区域卫星导航定位系统的原理是正确的, 方法是可行的.当然, 利用气压高度技术给出高程, 只是CAPS试验系统暂时采用的措施. 一个优良的卫星定位系统, 要求在所关心的区域内, 用户可在任意时刻至少能同时观测到仰角大于5°的4颗导航卫星[4~6]. 对于卫星数量较多的定位系统, 如GPS和GLONASS, 足够多的专用导航卫星可以满足这个要求, 它们的星座具有很小的PDOP(Position Dilution of Precision)值, 大部分区域的PDOP<3, 由此获得高精度的导航定位结果[7,8]. 建设中的Galileo系统计划将采用30颗卫星(27颗工作星+3颗备用星)[9].在诸如系统的卫星定轨精度、设备误差及其他多种因素的影响等基本相同的情形下, 星座的布局直接影响着导航定位精度[4~7,10,11]. 在导航系统的构建中, 星座是资金和时间投入的主要部分. 因此, 一个导航定位系统所布设的卫星的数量和卫星的轨道参数及由此所形成的星座布局对该系统的性能,如系统的导航定位精度、可用性、完好性、连续性等是至关重要的. CAPS的导航原理及某些关键技术与GPS和GLONASS等的均不相同[12~15], 在目前情形下, CAPS只是一个区域系统, 其星座组成与全球系统的有较大差别, 特别是它采用一定数量的GEO通信卫星. 就星座布局来说, 区域导航系统的设计难度比全球导航系统的更大[7,9,12,16]. 在保证导航定位精度的前提下, 为尽可能节省组建系统的经费和时间, 对CAPS的星座布局进行深入研究是非常必要的.本工作以PDOP值的变化为主要参数, 讨论建立适用于中国陆地和海疆区域并具有高精度的转发式CAPS的星座布局问题, 通过仿真计算和分析, 优选出相对优秀的星座框架方案, 供设计转发式CAPS的空间系统时参考.1CAPS星座的总体布局思路CAPS的星座所采用的GEO通信卫星, 将主要在我国使用的通信卫星中选择. 地球同步轨道卫星的位置高, 对地表的覆盖面积大, 采用GEO卫星和IGSO卫星对建立区域卫星导航定位系统是非常有利的[4,12]. CAPS的星座组建一方面要考虑如何合理地选出适用的GEO通信卫星, 另一方面, 也是更为重要的问题, 是如何确定计划发射的IGSO卫星的数量以及轨道的主要参数.考虑到系统的覆盖范围也应有一定的冗余度, 在本文的工作中我们把讨论的地域范围扩大到我国的周边地区(60°E~150°E, 10°S~55°N). 组成转发式定位系统的GEO卫星的间隔应以每颗卫星的地面可视范围和系统的覆盖范围来选择. 考虑到我国现有的GEO通信卫星的情形以及CAPS的覆盖要求, 初步的计算认为, 在卫星的最小仰角为5°的情形下, 用于CAPS的GEO卫星的间隔以不大于60°为宜, 目前可用的GEO卫星处于87.5°E, 110.5ºE, 125°E, 134°E, 138°E轨位. 结合卫星的位置及其工作状态等情形, CAPS试验系统首先选用了87.5°E, 110.5ºE, 134°E和138°E处的卫星. 它们的间隔满足要求, 但因其相距较近, 对我国东、西部边缘地区的覆盖冗余度较小. 考虑到我国在59°E处及163°E处还有可用的轨位, 有在这两处布设GEO 通信卫星的机会. 它们可以是新发射的卫星, 也可以是调控由其他位置上推移来的退役的GEO通信卫星形成的小倾角倾斜同步圆轨道(SIGSO)卫星, 例如, 位于138°E的亚太1号卫星退役后, 按照CAPS试验系统的需要被调控为SIGSO卫星并推移到142°E[17,18]. 图1给出了位1672中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008年 第38卷 第12期1673于59°E, 142°E 和163°E 处GEO 卫星的覆盖区域(卫星的最小仰角为5°), 地球赤道处写有‘G’的圆圈表示GEO 卫星的投影位置, 覆盖范围以虚线标出. 可以看到, 163°E 处的GEO 卫星不能覆盖我国西北的小部分地区, 59°E 处的卫星不能覆盖我国东北的极小部分地区, 142°E 处的GEO 卫星可完全覆盖我国. 计算表明处在约66°E 至约143°E 范围内的GEO 卫星可以完全覆盖我国的领土. 这样, 加上87.5°E, 110.5ºE, 125°E, 138°E 处的GEO 卫星, 它们在东西方向相对较宽及相互距离合适的分布, 可使我国领土的绝大部分地区至少能观测到5颗GEO 卫星, 周边地区及海疆也可观测到4颗或3颗.图1 GEO 通信卫星可视范围对IGSO 卫星, 考虑到是与GEO 卫星配合组成星座及我国地处北半球和疆域范围大的情形, 若使我国领土上任何地点在任意时刻都能观测到至少1颗IGSO 卫星计, 只发射1颗IGSO 卫星显然不能达到这个要求, 它运行到赤道上空及运行到南半球偏南的位置时, 无法在我国实现三维定位. 采用2颗IGSO 卫星也不能完全满足要求, 它们有可能在一定时间里同时接近位于赤道上空, 星座的PDOP 值变差, 甚至不能实现三维定位, 初步的分析及仿真表明, 应至少采用3颗IGSO 卫星. 它们的轨道取相同的倾角, 并适当选择卫星的升交点赤经和卫星的相位, 使它们‘8’字形星下点轨迹(地迹)重合(共迹), 地迹东西方向的对称中心处于105°E~115°E 之间. 这样该系统可很好地照顾到我国的东西部边缘地区, 在东西方向的覆盖范围可达到约50°E~160°E. 这样的设置也有利于卫星的控制, 使系统空间段的实现相对简单[19]. 同时我们也进一步分析了采用两组各两星共地迹, 即共4颗IGSO 卫星组成星座的情形.导航定位中影响用户三维定位精度的PDOP 与伪距测量误差σρ及用户的位置误差σ(x ,y ,z )的关系可表示为[7]σ(x ,y ,z ) = PDOP × σρ. (1)韩延本等: 中国区域卫星定位系统星座布局的选择1674 可见, PDOP对观测误差实际起着放大的作用. 优秀的定位系统要求在有效覆盖区域(可进行三维定位的区域)的任何地点、任何时间里PDOP小于6[16], 由大量卫星组成的优良的GPS 星座, PDOP值一般小于4或更小[20]. 定位系统空间段的卫星数量、轨道参数和星座布局决定了PDOP的大小和变化规律. 对IGSO卫星, 我们考虑的主要是轨道倾角、偏心率及升交点赤经的变化, 以此对可能形成的多种星座的PDOP进行仿真计算和比较分析. 同时, 我们结合CAPS的覆盖要求, 重点设定了3个区域进行考查, 即A区, 为我国的腹地及近海(95°E~125°E, 15°N~42°N); B区, 为我国陆地及海疆的绝大部分区域(75°E~135°E, 10°N~ 55°N); C区, 我国的周边地区(60°E~150°E, 10°S~55°N, 系统的冗余覆盖区域). 在下文对每个考查区的有关数据做分析时, C区包含B区和A区, B区包含A区.2关于IGSO卫星轨道的几个主要参数在分析讨论IGSO卫星轨道的几个主要参数及星座品质时, 通过仿真计算将给出有效覆盖区域内每1°×1°(经度×纬度)格点每10 min间隔的PDOP值、日均值及其他多项与星座品质有关的参数, 分析PDOP的分布特征. 为给读者直观的印象和便于分析比较, 将给出PDOP日均值的等值分布图(例子见图2). 图中用不同颜色的区域表示不同级别的PDOP日均值的分布范围, 或近似地称为“等值区”, 等值区的界限值标在图的上方的彩色棒下(例如蓝色表示PDOP日均值小于2, 余类推). 地球赤道处写有‘G’的红色圆圈表示GEO卫星的投影位置, 它们各自的覆盖范围以虚线标出. IGSO卫星的‘8’字形星下点轨迹用白色点划线表示, 其上的红色星号给出IGSO卫星在某一时刻的投影位置, 白色点表示一天内整点时刻卫星的相对位置. 前面提到的3个重点考查的区域用黑色线框标出. 为了考查PDOP值是否存在短时间的突变,图2 3颗IGSO卫星(i=35°, e=0)与6颗GEO卫星组合星座的PDOP等值区分布图中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008年 第38卷 第12期1675在CAPS 覆盖区域内不同方位处选择了一些地点, 计算它们在24 h 内每分钟间隔的PDOP 值, 绘制出变化曲线, 以展示不同地区PDOP 的变化细节. 本文所有的仿真计算中, 卫星的最小仰角定为5°.2.1 轨道倾角i一般来说, IGSO 卫星的轨道倾角越大, 卫星在一个运行周期内的可视区域也越大. 当然, 对导航星座的品质来说, 我们不仅要考虑卫星在一个运行周期内可视区域的大小, 更要考虑PDOP 值的大小与分布特征. 对3颗IGSO 卫星, 仿真计算中我们设圆形轨道的倾角i 依次为35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 63.4°, 3颗IGSO 卫星的升交点赤经差相同, 即为120°(优选过程将在下面有关部分进一步阐述), 计算时各卫星初始参考时刻的真近点角分别为0°, 120°和240°. 计算得到的星座覆盖面积、PDOP 值的大小及不同等级PDOP 值分布比例的统计结果列于表1中. 其中“覆盖区比例”栏表示星座的有效覆盖区域占全球表面积的百分比, “min”, “max”, “mean”栏分别表示有效覆盖区域中PDOP 日均值的最小值、最大值和区域平均值, PDOP<3, PDOP<5, PDOP<10分别表示PDOP 小于这些值的区域占有效覆盖区域的百分比. 对PDOP 的分布特征, 文中给出i = 35°, 50°, 55°和63.4°时的PDOP 等值分布图(图2~5), 因篇幅所限, 没有给出更多的图.表1 IGSO 卫星轨道倾角变化对星座覆盖面积及PDOP 的影响a)i /(°) 有效覆盖区比例/%min max mean PDOP<3/% PDOP<5/% PDOP<10/% 35.0 33.6 2.4 29.0 6.6 34.7 56.9 81.6 40.0 33.5 2.4 28.4 6.4 39.4 59.0 82.7 45.0 33.5 2.3 27.9 6.3 41.9 58.4 83.6 50.0 33.4 2.3 27.6 6.3 42.5 58.0 84.6 55.0 33.3 2.2 27.4 6.2 42.4 57.8 85.3 63.4 33.1 2.0 27.3 6.2 42.2 57.4 85.9 a) 星座为6GEO+3IGSO, 卫星最小仰角为5°IGSO 卫星的i 值相对越大, 在其运行一周的时间里覆盖范围在地球表面扫过的面积越大, 特别是向两极延伸得更多. 但几颗IGSO 卫星及GEO 卫星组成的星座, 全天时能进行三维定位的面积未必也越大, 表1中显示星座的有效覆盖面积是随着i 的增加而略有减小的, 虽然差别不是很大, 而整个有效覆盖范围内PDOP 日均值的最小值、最大值和平均值是逐渐减小的. 随着i 的增加, PDOP<3的区域占整个有效覆盖区的比例出现增加后又减小的变化特征, 在i = 45°~55°时明显相对较大, 比i = 35°时约增加了22%. PDOP<5的区域在i = 45°~55°时相对较大, PDOP<10的区域则在i = 45°~63.4°时相对较大. 同时结合PDOP 等值分布图也看到, 当i 值过大时, 在东西两侧出现了有效覆盖区缩小的现象, 这是因为某一侧观测不到靠另一侧的GEO 卫星, 同时也在一定时段中高纬度地区观测不到沿i 值过大的轨道运行到很接近另一半球的极地时的IGSO 卫星, 这对卫星数量较少的CAPS 来说是不利的. GPS 和Galileo 系统的轨道倾角就分别是55°和56°, 但它们的卫星数量多, 这方面的影响则较小[7].i ≈63.4°的轨道相对最为稳定(轨道拱线“不动”)[21], 且PDOP 的最小值还可进一步改善, 但韩延本等: 中国区域卫星定位系统星座布局的选择却使处于北半球的我国有不少地区在一定时段内无法观测运行到过于偏南半天区的卫星. 这个影响在中纬度地区不明显, 因这些地方与GEO卫星构成的矢量多面体的体积是较大的, 缺少1颗IGSO卫星的影响不大. 但对于接近赤道且距‘8’字形星下点轨迹中心线(115°E)略远的地区, 因其与GEO卫星构成的矢量多面体的体积较小, 且不能观测到另一侧相距较远的GEO 卫星, 故其DOP的优劣对IGSO卫星的依赖很大, 缺少1颗IGSO卫星时影响就很明显, 甚至每天可持续数小时. i=55°及e=0时PDOP的日均值的变化表明也存在类似的问题, 虽然不如i=63.4°时明显.因此, 综合比较认为, 中国区域定位系统IGSO卫星以选择约50°的轨道倾角为宜.2.2轨道偏心率由于我国处在北半球, 对建立区域定位系统来说, 一般认为IGSO卫星的轨道具有一定的偏心率, 并将近地点置于南半球, 会使卫星在北半球上空运行的时间相对较长, 应当对北半球的定位更为有利. 这里选定IGSO卫星轨道的i=50°, 对偏心率e=0.0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25和0.30等7种情形分别进行仿真计算. 有关的结果统计在表2中, 表中各量的意义与表1的类似. 可以看到, 虽然e较大时IGSO在北半球上空运行的时间相对较长, 但从全天时导航定位的要求来说, CAPS的有效覆盖区并没有增加, 相反还不如e=0时相对更大些. 对PDOP 值的影响表现为: 最小值基本没有变化, 但最大值和平均值却在逐渐变大, PDOP<3, 5, 10的覆盖区比例逐渐变小. 这里给出i=50°及e=0.10, 0.20时的PDOP等值分布图(图6和7), 读者可将其与图3进行比较.表2 IGSO卫星轨道偏心率变化对覆盖面积及星座PDOP的影响a)e 覆盖区比例/% min max mean PDOP<3/% PDOP<5/% PDOP<10/%0.00 33.4 2.3 27.6 6.3 42.5 58.0 84.60.05 33.4 2.3 27.7 6.4 42.3 57.9 83.50.10 33.3 2.3 28.0 6.5 43.1 57.6 82.80.15 33.2 2.3 36.2 6.9 41.2 55.7 80.90.20 33.0 2.3 32.5 6.8 40.2 52.1 80.60.25 32.1 2.3 41.1 6.6 35.1 44.3 80.60.30 30.4 2.3 49.8 6.5 40.3 52.6 81.3a) 6GEO+3IGSO, i=50°, 卫星最小仰角为5°由于IGSO卫星距地球较远, 若采用椭圆形轨道, 卫星在远地点时进一步加大与地球的距离, e值越大, 距离也越大. 例如e=0.2时, 卫星在远地点时与地面的距离达到44200 km, 较圆形轨道时增加约8400 km, 则要求卫星具有更大的转发信号功率, 否则用户收到的信号强度减弱, 这是不利的. 同时e值较大时, 卫星在近地点处受摄动影响出现的进动更明显, 轨道参数会产生较大漂移[22].综合上述情形, 我们认为对IGSO卫星以选择圆形轨道(e=0, 下文中把这类轨道记为IGSCO)为宜. 如果今后有将区域系统向全球系统扩展的需要时, 区域系统的资源还有被利用的可能性.1676中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008年 第38卷 第12期1677图3 3颗IGSO 卫星(i = 50°, e = 0)与6颗GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图图4 3颗IGSO 卫星(i = 55°, e = 0)与6颗GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图2.3 升交点赤经由于本文只是从总体上讨论CAPS 星座布局的优选, 还不涉及IGSO 卫星轨道参数的具体设计, 我们讨论的是几颗IGSCO 卫星在轨道上的相对位置, 因此这里只考虑它们的升交点赤韩延本等: 中国区域卫星定位系统星座布局的选择1678图5 3颗IGSO 卫星(i = 63.4°, e = 0)与6颗GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图图6 3颗IGSO 卫星(i =50°, e =0.1)与6颗GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图经差及位相差即可. 对位于一组共地迹的轨道上的几颗IGSCO 卫星, 当位相差相同且等于升交点赤经差时, 可使覆盖区域内各地DOP 随时间的变化相对比较均匀[4]. 当然, 工作区域较小且不要求全天时工作的区域定位系统,也可根据需要采用位相差不等的方案, 虽然会造成某些中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008年 第38卷 第12期1679图7 3颗IGSO 卫星(i =50°, e =0.2)与6颗GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图地区在某些时段DOP 出现较大的异常起伏, 但可使某些特定的时段对某些特定的地区更为有利. CAPS 是全天时的区域定位系统, 同时我国的地域广阔, 仿真计算的结果表明, 对几颗IGSCO 卫星共地迹的情形, 可对它们取相同的升交点赤经差, 如3颗IGSCO 卫星时取120°, 4颗时可取90°.作者也考查了将4颗IGSCO 卫星置于两组各共地迹的布局, 发现其对CAPS 这样的区域系统或全球系统都是不利的. 每组两星的位相差为180°时, 两星在一定时间里接近赤道面的情形会在两组中交替出现, 使覆盖区域中东西两侧较偏远的某些地区的PDOP 值出现较大的波动.综合上述情形, 我们认为CAPS 系统的3颗IGSCO 卫星的升交点赤经差以120°为宜.3 CAPS 星座布局的选择在上述讨论的基础上, 作者对多种组合星座进行了仿真计算, 将部分主要的结果总结在表3中. 其中“星座”栏4GEO+3IGSCO 表示用59°E, 110.5°E, 142°E 和163°E 处的4颗GEO 卫星与3颗IGSCO 卫星联合组成星座(下同). 5GEO 的组合为增加了87.5°E 处的1颗GEO 卫星, 6GEO 时又增加了125°E 处的1颗GEO 卫星. 所采用的3颗IGSCO 卫星, 如果不做特别说明, 则指其处于一组星下点共迹的轨道面, 且星下点轨迹的对称中心位于115°E 处、升交点赤经差为120°, 初始参考时刻的卫星真近点角分别为0°, 120°和240°的情形. 2×2IGSCO 表示两组星下点共迹的轨道面各置2颗IGSCO 卫星, 星下点轨迹对称中心分别在75°E 及130°E 处, 升交点赤经差各为180°, 初始参考时刻的卫星真近点角分别为0°, 180°和90°, 270°. 表中A, B, C 三个考查区的“mean”为PDOP 的平均值, PDOP<4和PDOP<6分别表示PDOP 小于这些值的区韩延本等: 中国区域卫星定位系统星座布局的选择1680 域占该考查区面积的百分比, A 区的这两列值均为100%, 为节省篇幅未列出. “全部覆盖区”栏中的mean, min, R 分别为有效覆盖区中PDOP 的均值、最小值和有效覆盖区占全球面积的百分比, PDOP<5栏的值表示这样的区域占有效覆盖区的百分比.对表中前3类星座, 我们可以看到各考查区PDOP 的平均值及PDOP<4和PDOP<6的区域占该区的面积百分比, 均随着GEO 卫星个数的增加有所改善. 同时结合下面的图8可以看到, 在要求全天时定位的情形下: (1) 4GEO+3IGSCO 卫星组成的 7星星座在IGSCO 的i = 50°时, A 区的PDOP<3, 日均值为2.7; 对B 区, 日均值为3.5, PDOP<4和PDOP<6的部分在该区各占到76%和94%, 仅有B 区的东北角小部分出现PDOP>8和PDOP>10的情形; 对C 区, 日均值为4.3, PDOP<4和PDOP<6的比例为67%和82%, C 区的中心较大部位PDOP 的大小和分布都较好, 系统整个有效覆盖区的PDOP 日均值为6.4, 因此这是个良好的区域星座布局. (2) 5GEO +3GISCO 卫星组成的8星星座在IGSCO 的i =50°时, 较明显优于7星星座的情形(详见表3和图9), 可称为优秀的区域星座布局. (3)6GEO+3GISCO 卫星组成的 9星星座的PDOP 变化和分布进一步好转, 但因用的GEO 卫星多, 费用略有增加, 总体来说也可称为优秀的区域星座.王永澄等曾研究过由3GEO+4IGSCO 卫星组成的7星星座的品质[16], 其中3GEO 卫星的轨位为55°E, 105°E, 155°E, 4IGSCO 卫星的i = 30°, 初始参考时刻的卫星真近点角分别为0°, 90°, 180°, 270°, 得到我国中心地区(31°N, 105°E)的PDOP 日均值为3.8. 2003年, 王永澄等进一步将7星星座改进为采用位于45°E, 105°E 和165°E 轨位的GEO 卫星与4颗沿倾斜椭圆轨道(i = 40°, e = 0.4)运行的同步卫星组成[22], 得到我国武汉、喀什、漠河、台湾、及南沙地区的PDOP 日均值分别为2.9, 4, 4, 3.1和2.8. PDOP<6的时段在我国陆地、东部近海及南部海域可达全天, 我国东部远海只能达到一天的60%~80%.由表3和图8可以看到, 本文的4GEO+3IGSCO 的7星星座可使我国大部分地区(包括东图8 3颗IGSCO 卫星(i = 50°)与4颗GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008年 第38卷 第12期1681表3 不同星座组合的PDOP 在各考查区的变化A 区B 区C 区 全部覆盖区 星座i /(°)mean mean <4/%<6/%mean <4/%<6/%mean R /% <5/% min 45 2.7 3.5 75 94 4.658 84 6.726 58 2.5 50 2.7 3.5 76 94 4.367 82 6.426 56 2.5 4GEO+3IGSCO55 2.7 3.4 76 94 4.067 94 6.225 55 2.5 45 2.6 3.1 85 99 3.675 93 5.831 56 2.4 50 2.6 3.0 87 99 3.578 93 5.731 55 2.4 5GEO+3IGSCO55 2.6 3.0 88 99 3.478 93 5.731 55 2.3 45 2.5 2.9 89 99 3.382 95 6.334 58 2.3 50 2.4 2.8 94 99 3.284 96 6.433 58 2.3 6GEO+3IGSCO55 2.4 2.8 92 99 3.182 96 6.233 58 2.2 45 2.6 3.2 79 99 3.668 93 4.925 63 2.4 50 2.6 3.1 79 99 3.768 92 4.925 64 2.4 4GEO+2×2 IGSCO55 2.6 3.1 79 99 3.767 91 5.024 62 2.2 45 2.5 2.9 94 99 3.185 97 4.428 69 2.2 50 2.5 2.8 95 99 3.186 96 4.428 68 2.1 5GEO+2×2 IGSCO55 2.5 2.8 95 99 3.085 95 4.528 68 2.0 45 2.3 2.7 73 100 2.992 99 4.729 67 2.1 50 2.3 2.7 98 100 2.893 99 4.830 66 2.0 6GEO+2×2 IGSCO55 2.3 2.7 99 1002.892 98 4.930 65 1.9 45 2.6 3.5 66 98 3.847 96 5.325 55 2.5 50 2.6 3.5 72 99 3.767 97 4.724 57 2.4 4 GEO +3IGSCO(GEO 均匀分布) 55 2.6 3.4 71 99 3.665 98 4.724 56 2.4 45 2.6 2.9 100 100 3.292 95 4.930 61 2.0 50 2.6 2.9 100 100 3.194 95 4.930 61 2.0 5GEO +3IGSCO (GEO 均匀分布) 55 2.5 2.8 100 100 3.093 95 4.830 60 2.0 45 2.5 3.2 77 100 3.373 99 4.122 81 2.3 50 2.5 3.2 77 100 3.377 98 4.022 82 2.2 4GEO+2×2IGSCO (GEO 均匀分布)55 2.5 3.2 76 1003.274 98 3.922 82 2.1部海域及南部海域)的PDOP 日均值为2.7. 作者特别要提到5GEO+3IGSCO 的8星星座方案, 与王永澄的3GEO+4IGSCO 方案相比, 增加2颗GEO 卫星, 减少1颗IGSCO 卫星. 对转发式的CAPS 来说, 因租用GEO 卫星或购买退役的GEO 卫星的费用要比发射IGSCO 卫星减少很多, 这样的星座会使系统的成本相对要低很多. 结合表3和图9可以看到, 运用8卫星星座, 在重点考查的A 区, PDOP 日均值为2.6, B 区的 99%的范围内PDOP<6, 日均值为3.0, 甚至C 区PDOP<6的部分也达到了93%, 区平均值为3.5. 运用7卫星星座或8卫星星座, 我国陆地、海疆及周边地区不同方位一些地点PDOP 每分钟值的变化也是比较平稳的, 且数值较小(图10和11).采用4颗IGSCO 卫星置于两组星下点共迹的轨道面的3类组合, 各考查区PDOP 的均值及PDOP<4和PDOP<6的区域比例与采用3IGSCO 卫星的情形相比均有所改善, 但改善的程度并不很明显. 多发射一颗IGSO 卫星, 费用增加较多, 从性价比的角度考虑, 对于CAPS, IGSCO 卫星仍以采用3颗为好.韩延本等: 中国区域卫星定位系统星座布局的选择1682图9 3颗IGSCO 卫星(i = 50°)与5颗GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图图10 3颗IGSCO 卫星(i = 50°)与4颗GEO 卫星组合星座时我国陆地、海疆及周边地区不同方位地点PDOP 每分钟值的变化曲线中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008年 第38卷 第12期1683图11 3颗IGSCO 卫星(i = 50°)与5颗GEO 卫星组合星座时我国陆地、海疆及周边地区不同方位地点PDOP 每分钟值的变化曲线前面提到的各星座采用的GEO 卫星是非均匀分布的, 设想将它们均匀地设置于GEO 和4GEO 时处于60°E, 95°E, 130°E 和160°E, 那么它们与3IGSCO 组合(见表3写有“GEO 均匀分布”栏目及参见图12), 则PDOP 值的大小及分布均比非均匀分布时有所改善. 用处于40°E, 70°E, 100°E, 130°E 和160°E 的5GEO 与3IGSCO 组合, 改善更为明显(图13). 且由于GEO 卫星被均匀分布, 对4GEO+2×2IGSCO 的组合也有了明显改善.4 结语与讨论通过本文的仿真计算结果和分析, 作者认为对4颗或5颗GEO 通信卫星各租用其两个信号转发器, 再发射3颗位于一组星下点共迹的轨道面的IGSCO 通信卫星, 它们的轨道倾角约为50°, 升交点赤经差为120°, 且其星下点轨迹的对称中心在115°E 附近, 可形成适用于中国领土的转发式区域卫星导航定位系统的较优的星座布局. 该星座的有效覆盖区域约在60°S~ 60°N 及50°E~160°E 范围内, 我国领土及周边地区在全天可以观测到能够进行有效三维定位的卫星, 其中4GEO+3IGSCO 的7星星座(4GEO 卫星处59°E, 110.5°E, 142°E 和163°E), 在IGSCO 的i =50°时, 是良好的区域系统星座布局; 5GEO+3GISCO 的8星星座(5GEO 卫星处59°E, 87.5°E, 110.5°E, 142°E 和163°E), 在IGSCO 的i = 50°时, 是优秀的区域系统星座布局; 6GEO+韩延本等: 中国区域卫星定位系统星座布局的选择1684图12 3颗IGSCO 卫星(i = 50°)与4颗等间距GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图图13 3颗IGSCO 卫星(i = 50°)与5颗等间距GEO 卫星组合星座的PDOP 等值区分布图3GISCO 的9星星座的PDOP 变化和分布进一步好转, 但性价比不如8星星座, 总体来说也可称为优秀的区域系统星座.本文结果还表明, 如果将GEO 通信卫星按覆盖区的需要均匀地分布于一定范围内, 它们。