GNSS选轨原理

众所周知,四个全球的GNSS星座在设计方面各个有不同。那么这些星座在选轨方面是怎么样考虑的呢,为何选择不同的方案,优缺点又各是什么呢?

一、GNSS的选轨的基本要点

1.1 GNSS卫星星座基本原则

由于GNSS采用距离交汇的形式,再加接收机的钟差未知,所以至少需要四个观测量才可以完成接收机定位,所以GNSS的卫星星座选取的基本原则如下:

指定范围内,任意位置、任意时间都要能同时看见4颗以上卫星

如果为全球提供服务的话,那么也就意味着需要在全球范围内任意一个位置、任意时间都能看同时看见4颗以上的卫星。另外,根据RAIM算法,能看5颗的卫星的即可进行接收机自主检测,6颗以及6颗以上的卫星的时候,就实现单故障排除(目前多星座多故障排除算法并不成熟)。另外卫星是有寿命的,一般来说设计寿命为5年(根据情况工作七八年也是比较常见的),所以需要几个备份卫星来保证卫星换代和卫星故障的情况下星座同样能够正常运行。

1.2 GNSS常见轨道

根据目前GNSS的轨道情况,基本可以分为以下几类:

  • MEO(Medium Earth Orbit): 中地球轨道,其轨道高度位于2000km到地球静止轨道之间。
  • GEO(Geosynchronous Earth Orbit): 地球同步轨道,位于赤道上空,距地约35800km,相对地面来是静止的。
  • IGSO(Inclined geosynchronous orbit): 斜地球同步轨道,和同步轨道高度相同,但并不位于赤道上空。

1.3 需要考虑的基本问题

在选轨方面至少要考虑以一下几个方面:

  • 技术难度
  • 卫星发射成本
  • 信号的强度
  • 信号的覆盖范围
  • 卫星系统的运行目的
  • 地面基站的分布

二、三种轨道对于GNSS的优缺点

由动力学和几何学可知,轨道的高度越高, 在地球上的的信号覆盖范围就越大,达到GNSS的基本的要求所需要的卫星也就越少,但是信号的强度也会相应降低,卫星发射的成本也变高,技术难度也会随之增大。所以卫星轨道设计实质上是各个方面平衡的结果。

2.1 MEO的优缺点

中高度圆轨道卫星星座是一种周跳约为12小时,倾角为55-63.42度的轨道,其星下点轨道可遍布全球,经过GPS/GLONASS系统成功运行证明,该轨道是一种优良的全球星座轨道。通过分析和计算表明,24颗卫星MEO卫星即可保证全球基本定位。与GEO/IGSO相比,MEO的轨道高度相对较低,发射难度相对较小,卫星成本相对较低,由于地面较近,信号的强度也较近,信号的覆盖范围较广,对于高纬度区域覆盖面较大。由于MEO是全球性的星座轨道,如果想要获得较好的定轨结果,那么也需要全球性的地面基站支持。MEO卫星对于全球性的定位系统是较好的选择。

2.2 GEO的优缺点

地球静止轨道卫星可24小时静止在规定的赤道上空,其星下点几乎不移动。所以GEO相对于其它星下点移动轨道的优势非常明显:对于指定区域有着尤其是低纬度区域有着非常高的卫星利用率,另外GEO卫星除了当导航卫星以外,还可以作为通迅卫星,直接成为导航系统的区域增强系统,有着播发增强的信号和改正数及精密星历的能力,能够有效的提高区域的定位精度。不过由于GEO卫星只能位于赤道上空,对于高纬度地区无法兼顾,同时GEO轨道资源有限,在运行期间需要不断的调整卫星状态(因为要保证GEO卫星在规定的弧段运行,而实际上GEO卫星做不到完全对地静止的),所以会出现定轨方面的困难。再加上GEO卫星轨道较高,发射难度较大,成本高,另外还需要提高信号功率以保证GNSS的信号的信噪比。

注:GEO卫星的轨道断点:按照规定GEO需要轨道微调,所有通讯卫星都挤在圆弧上,国际电联有规定,卫星不能向左、右不能偏出一度,卫星一偏0.1度,就马上调整回来。但是有一段时间会影响到定轨精度,而根据卫星导航的系统,需要两天到三天的观测数据,虽然目前有办法做到快速定轨,但是精度却相对较差。

2.3 IGSO的优缺点

倾斜地球同步轨道卫星同样是一种周期24小时和GEO同高的卫星轨道,但是由于存在轨道倾角,其星下点的轨道呈以赤道为中心的8字形,整体南北来回运动。这种设计同样是一种区域型定位轨道,相对于GEO来说,对于高纬度区域相对较好,卫星利用率相对较低,拥有GEO大部分优点,且避开了GEO卫星资源有限的缺点。但是同样的,IGSO也是有着GEO大部分缺点。

三、 GNSS选轨考虑

2.1 GPS选轨考虑

GPS直接采用了6个MEO轨道作为全球性定位,这是因为与地球静止轨道(GEO)和低轨道(LEO)相比,是一个成功的折中方案。无论从发射卫星数量、发射费用来说都是个很好的折中;与地球静止轨道相比,其卫星数量要多一些,但单个发射费用较低,且有更强的高纬度区域覆盖能力;与低轨道相比,其卫星数量少得多,因而也易于管理,用户能对某一颗卫星信号连续接收数小时,不存在低轨道卫星频繁更迭的问题;

2.2 DBS选轨考虑

作为后发的北斗导航系统,在全球导航上面已经失去优势,所以前期需要考虑的是建立一个区域性的导航性系统,然后再慢慢补齐MEO,形成一个具有区域性优势的全球性导航系统。故GEO与IGSO就你为较好的轨道优势,卫星利用率相对较高。另外技术的积累,也得使用GEO/IGSO卫星的运输不再成为一个较大的难点。

此条目发表在GNSS分类目录,贴了标签。将固定链接加入收藏夹。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。