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1、中国科学G辑:物理学力学天文学2008年第38卷第12期:1671~1686《中国科学》杂志社www.scichina.comphys.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS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@bao.ac.cn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:2
2、007CB815501)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关键词系的星座的位置精度衰减因子(PositionDilutionofPrecision,PDOP)在中国区卫星定位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区域定位系统通信卫星组成转发式中国区域定位系统星座的初步计划.我们重点考虑倾斜星座CAPS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
3、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.转发式中国区域卫星导航定位系统(ChineseAreaPositioning
4、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[1]定位.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
5、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[2,3]求解观测方程的约束解,实现较好精度的三维导航定位.这表明,利用信号转发方式组建1671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[4~6]导航卫星.对于卫
6、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(PositionDilutionofPrecision)值,大部分区[7,8]域的PDOP<3,由此获得高精度的导航定位结果.建设中的Galileo系统计划将采用30颗[9]卫星(27颗工作星+3颗备用星).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[4~7,10,11]的布局直接影响着导航定位精度.在导航系统的构建中,星座是资金和时间投入的主要部分.
7、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.[12~15]CAPS的导航原理及某些关键技术与GPS和GLONASS等的均不相同,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[7,9,12,16]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.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
8、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[4,12]定位系统是非常有利的
