基于低轨星座的北斗导航增强仿真研究

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低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星凭借自身运动速度快、几何构型变化快、地面测站接收信号强等优势,可以与全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)等已有的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)进行优势互补,在增强GNSS精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)和精密定轨方面存在巨大意义,已经被广泛关注和研究。同时LEO星座也可以在不依赖GNSS的情况下,实现单系统导航定位。本文针对LEO星座增强BDS精密单点定位进行研究,使用美国Analytical Graphics公司开发的卫星仿真工具包(System Tool Kit,STK)设计不同构型的LEO星座,结合自编程序仿真精密轨道文件,搭建GNSS/LEO观测链路仿真平台,仿真不同链路观测数据,并从LEO星座卫星数量、卫星轨道高度等方面,探究LEO星座对北斗卫星导航系统精密单点定位的增强效果。论文主要工作内容和结论如下:(1)对北斗卫星导航系统、Iridium、“鸿雁”等星座进行模拟,根据后续实验需要设计不同轨道高度和卫星数量的LEO星座,并从星下点运行轨迹、全球DOP值分布、全球平均卫星可见数分布以及全球导航精度分布方面,对BDS精密单点定位过程中加入LEO星座的增强效果进行初步分析。结果表明,LEO星座的加入,全球范围内特别是极地地区,平均可见卫星数都有极大的提升。加入LEO星座后,全球范围内PDOP值均降低,并且随着LEO卫星数量的增加降低效果更加明显,其中极地区域PDOP值下降程度最为显著。LEO星座的加入,有效的改善了高纬度地区的卫星构形,提升导航精度。(2)基于STK软件自带的报表功能并结合自编软件,仿真生成GNSS/LEO精密轨道文件。基于地基GNSS观测方程、星载GNSS观测方程以及星间链路观测方程等,构建GNSS/LEO观测链路仿真平台,仿真生成包含电离层延迟改正、对流层延迟改正、卫星钟差改正等各类改正项的观测数据。(3)从LEO星座中卫星数量、卫星运行轨道高度以及观测过程中测站观测采样率和和地面测站分布纬度,探究LEO星座对BDS PPP的增强效果。结果表明,LEO星座对BDS PPP的增强效果随着LEO卫星数量的增加而增加,在LEO卫星数选取100颗、144颗、196颗和256颗时,LEO卫星对BDS PPP的收敛速度的提升程度分别为65.67%、70.15%、77.16%和91.05%。通过实验证明,在LEO星座的星座构型和卫星数量相同的情况下,卫星运行轨道越高,对BDS精密单点定位的增强效果越好。更高的LEO卫星轨道高度使得更多的LEO被观测到并参与定位解算,加快BDS PPP的收敛速度,实验证明,在设计的三组试验中,2000km轨道高度的LEO星座,增强效果优于1000km轨道高度的LEO星座。分别使用1s、5s、10s、15s、20s和30s采样率的仿真观测数据进行定位解算,通过实验证明,观测值采样率LEO卫星对BDS PPP的性能提升效率都在百分之九十左右,未有明显差异。(4)本文还仿真具有导航定位能力的LEO星座,对LEO星座进行了精密单点定位和伪距单点定位(Single Point Positioning,SPP)性能分析,证明在LEO星座在满足导航定位需求时,即可提供导航定位服务。
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