基于STK的北斗卫星导航系统仿真与分析

王欣蕊

【摘 要】利用卫星仿真工具包STK，结合国外全球导航系统的技术经验和北斗卫星导航系统目前公布的技术资料，对北斗卫星导航系统的星座设计、卫星可见性、定位精度等方面进行了详细的仿真与分析。STK逼真的图形显示提高了北斗卫星导航系统中星座仿真的可视化成效，通过分析卫星可见性及定位精度，能够得出北斗卫星导航系统是一种区域定位性能较佳的卫星导航系统，它可以让用户体验到更为精确的定位导航服务。

【关键词】北斗卫星导航系统；卫星仿真工具包；星座设计；精度因子；卫星可见性

【中图分类号】P228 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）03-0079-02

0 前言

北斗衛星导航系统（Beidou navigation satellite，BDS），是我国自主研发的一款完全独立运行的全球卫星导航系统。建成技术先进、开放兼容、自主独立且具有极高稳定性的全球覆盖的导航系统，进而形成卫星导航产业链，促使国家卫星导航产业保障、支持及推广体系的进一步完善，加快国民经济社会各行各业中卫星导航的普及，这是这一系统的建设总目标[1]。

现如今，我国BDS系统还处在建设星座组网的阶段，据系统建设所制定的规划，该系统于2012年左右就将完成对亚太地区导航、定位、授时等服务能力的覆盖；到了2020年，BDS系统将实现全球覆盖。为此，我们展开后续工作的一项重要前提就是对系统进行模拟仿真。基于以上情况，本文通过运用著名仿真分析平台STK（全称Satellite Tool Kit）来详细地仿真与分析BDS系统的星座设计、卫星可见性与定位精度等。

1 星座设计及仿真

现阶段，Walker星座是世界上卫星导航系统布局时常选用的。Walker星座是圆形轨道，是由一组在相同轨道倾角与周期运行的圆轨道卫星组成，记作Walker T/P/F所有轨道上面的卫星等间距分布均匀，每个轨道面之间的升交点经度间距呈相同角度分布均匀，为此T=s乘以p，即同轨道面的卫星个数乘以轨道面个数=卫星数量。相位参数F对相邻两条轨道之间卫星的相对相位进行确定，F是0到P-1的整数，是最东方的卫星轨道到最为西方卫星轨道之间的“缝隙”数量[2]。与卫星通信系统相比，卫星导航对星座有着大不相同的机和限制，其中最明显的就是导航应用之中要求同时见到更多的卫星，即需要多重覆盖。就拿GPS系统来说，GPS导航解算最少需要4颗用户可视的卫星，以提供用户确定三维位置和时间所必需的最少4个观测量。因此，GPS星座的一个主要限制是必须一直提供至少4重覆盖。为可靠地保证这种覆盖水平，实际的GPS星座设计为提供4重以上的覆盖，这样即使有一颗卫星出现故障，也能至少维持4颗卫星可见。

对于卫星无线电导航系统（RNSS系统）星座的选择，理论和实践表明，高度在2 000 km以下的低轨卫星星座是不合适的。欧盟伽利略卫星导航系统在进行星座设计时所得出的结论和经验如下。

（1）最少要有24颗卫星，才能实现中高等级的性能指标。伴随卫星数量的增多，卫星高度对性能指标的影响逐渐降低。卫星高度对精度的贡献，在全球卫星数量≥27颗的时候，就无贡献可言。

（2）30颗MEO卫星的星座方案为优，选Walker 30/3/1的星座设计为最优方案。当半长轴大于等于25 000 km时，均能使垂直与水平精度优于5.5 m（可用度优于99.7%）。

（3）不用进行星座修改，增加在轨备份卫星，即可实现可用度的提升。

文献[3]指出，北斗卫星导航系统在空间段由5颗GEO卫星和24～30颗MEO卫星组成，位于轨道倾角为55°的3个轨道平面内，运行周期为12小时55分钟，是一种全球构架下并具有优良区域定位性能的卫星导航系统。综合以上讨论的各种因素，选择5GEO+30MEO的星座方案，利用STK软件对星座进行建模仿真[3]。

2 卫星可见性分析

为了能够实现对卫星信号的及时获取，应预估出卫星相对于某一地面站点的可视卫星数量、进出场时间等，进而实现对其运行状况做到充分了解，科学地进行相关卫星捕获[4]。建立某地面站Beijing，其位置信息为（116.388°E、39.906 2°N），分析其在仿真时段内卫星的跟踪状况。

（1）单颗卫星跟踪分析。利用STK提供的Access Tool分析工具，以Beidou2A卫星为例，仿真时段设定为2007年7月1日12时到7月2日12时，时间跨度是24 h。要想得到Beijing站获取Beidou2A卫星的跟踪时段信息，就在报告栏中选取Access。

（2）整个星座的跟踪分析。对所有35颗北斗导航卫星进行跟踪分析，能够将全部卫星对Beijing站的进出场时间获取到。

（3）可见卫星数目分析。利用STK链路工具，新建一个链路分析。将上述Beijing站和北斗导航卫星星座当做是链路之中的两个对象放到目前链路之中，就能够对仿真时段里任何时间的Beijing站可视卫星数量进行分析。该地面站点基本任何时间，都可以同时接收到来自北斗系统超过13颗的卫星，18颗是最多的时候[5]。也就是说，能对多重覆盖的要求进行满足。

3 定位精度分析

位置精度与给定精度下的可信度，可以说是绝大部分用户最为关心的。利用利用北斗卫星导航系统进行定位，它取得的精度主要由2个方面的因素所决定。使用Accuracy=UERE×DOP表示位置精度，其中位置精度即Accuracy，精度因子即DOP，用户等效距离误差即UERE，用户定位精度越低，其数值越大，反之其数值越小，用户定位就获得越高精度[6]。

等效距离误差是根据卫星至接收机的路径上的各种因素（如钟差、电离层延迟等）预测的伪距观测值的变化值，精度因子反映卫星的空间几何分布，它是星座大小和轨道参数的一个函数。通常有平面位置精度因子HDOP、高程精度因子VDOP、空间位置精度因子PDOP、接收机钟差精度因子TDOP和几何精度因子GDOP[7]。利用以上各项精度因子，便可以从不同的方面对定位精度做出评价。通过对STK覆盖分析模块地利用，能将单个或是星座对象的区域与全局覆盖问题分析出来。针对于Beijing站，对该站点仿真时段内各DOP值进行计算，并将其随时间变化的曲线绘制出来。此外，对全球范围进行覆盖分析，对DOP值伴随地理位置的空间变化情况展开考察。空间分辨率取1°×1°，分析几何精度因子GDOP随经纬度的变化。全球范围内北斗卫星导航系统的GDOP值均在1.7以内，总体上曲线起伏较小，说明北斗卫星导航系统具有良好的系统连续性。GDOP值在中低纬度地区相对比较小具有稳定性，GDOP值随经度变化较纬度方向相对明显，整体上在1.65左右。由于存在5颗增强区域导航性能的GEO卫星，故在我国及周边地区的经度范围内GDOP较之其他经度范围略小，处于1.30左右，其他经度范围内，GDOP水平在1.60左右。

我们不难看出，在世界范围内BDS系统的设计有着优良的覆盖品质，能够将更高精度的导航定位服务提供给客户，是一种全球构架之下区域定位性能良好的卫星导航系统。

4 结语

北斗卫星导航系统目前仍处于建设阶段，本文利用STK提供了强大的卫星仿真平台对北斗系统进行了仿真分析，仿真精度还需等待系统完成建成，并在正式投入运行之后展开进一步验证。本文所做工作对开拓北斗卫星导航系统应用领域具有一定意义，同时可以为具体的空间任务设计提供相应的参考依据。

参 考 文 献

[1]Paul Massatt，Micheal Zeitzew.The GPS Constellation Design-Current and Projected[C].Proceedings of The National Technical Meeting “NAVIGATION 2000”.Long Beach.California，1998：569-574.

[2]佚名.欧洲全球导航卫星系统（GNSS-2）比较研究（八）[R].周傲松，译.中国空间技术研究院，2001.

[3]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报，2008，29（2）：392-396.

[4]杨颖，王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京：国防工业出版社，2005：87-120..

[5]柴霖，袁建平，方群，等.基于STK的星座设计与性能评估[J].宇航学报，2003，24（4）：421-423.

[6]代明鑫，张文明，王雪松.基于STK的SAR卫星轨道预报设计与仿真[J].现代防御技术，2008，36（1）：5-9.

[7]周广勇，李良良.基于STK的全球卫星导航定位系统DOP值仿真[J].地理空间信息，2009，7（3）：102-104.

[责任编辑：钟声贤]