中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院
1. 标题
· 低轨卫星增强北斗三号导航星座性能分析
· Performance analysis of LEO satellites augmented BDS-3 navigation constellation
2. 成果信息
· 引用格式：王慧珍,王广兴,牛飞,苏醒.低轨卫星增强北斗三号导航星座性能分析[J].测绘科学,2021,46(01):76-83+92.
· DOI: 10.16251/j.cnki.1009-2307.2021.01.010
· 原文链接：https://dx.doi.org/10.16251/j.cnki.1009-2307.2021.01.010
https://chkd.cbpt.cnki.net/WKE/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=5029ffbe-cfa4-43a0-9483-0d4a1bf2bfea
· 项目支持：国家自然科学基金项目(41804033)、中央高校基本科研业务费专项资金项目(CUGL180831)、山东省自然科学基金项目（ZR2018PD006）、武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室开放基金资助项目（18-01-06）
3. 成果团队成员
· 王广兴，博士，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，讲师，硕士生导师，研究方向GNSS精密单点定位及模糊度固定理论与方法。（通讯作者，联系邮箱：wanggx@cug.edu.cn）
· 王慧珍，硕士研究生，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，研究方向为GNSS精密定位。
· 牛飞，博士，北京卫星导航中心，助理研究员，研究方向为卫星导航差分与完好性技术研究。
· 苏醒，博士，山东科技大学测绘与空间信息学院，讲师，研究方向为卫星精密定轨、天地一体化导航增强。
4. 成果介绍
针对低轨卫星星座有待合理化设计的问题，本文研究了低轨卫星星座增强北斗三号系统定位性能。分析轨道高度、轨道倾角、星座构型对星座覆盖性能的影响，仿真北斗三号、GPS和三种不同类型的低轨星座，研究各低轨星座与北斗三号、GPS的组合系统在所选7个测站以及全球范围内的可见卫星数和PDOP值分布。
BDS-3系统的仿真按照其官方发布的BDS-3系统的标称参数进行配置，事实上卫星在运行过程中其实际轨道与设计轨道存在一定偏差，但本文中将统一按照其最初的设计进行星座仿真。图1表示的是BDS-3、60颗LEO卫星、66颗LEO卫星以及156颗LEO卫星星座的仿真三维空间构型。
(a)BDS-3 (b)60颗LEO
(c)66颗LEO (d)156颗LEO
图1 BDS-3与各低轨星座三维空间构型
图2、3、4、5展示了各组合系统在全球内的可见卫星数分布图与PDOP值分布图。
(a)全球可见卫星数分布图 (b)全球PDOP值分布图
图2 BDS-3星座全球可见卫星数分布图和PDOP值分布图
(a)全球可见卫星数分布图 (b)全球PDOP值分布图
图3 BDS-3与60颗LEO卫星的组合星座全球可见卫星数分布图和PDOP值分布图
(a)全球可见卫星数分布图 (b)全球PDOP值分布图
图4 BDS-3与66颗LEO卫星的组合星座全球可见卫星数分布图和PDOP值分布图
(a)全球可见卫星数分布图 (b)全球PDOP值分布图
图5 BDS-3与156颗LEO卫星的组合星座全球可见卫星数分布图和PDOP值分布图
从各组合系统的可见卫星数分布图中可以看出：在中低纬度地区，随着LEO卫星数目的增加，区域可见卫星数也在增加，而在高纬度地区，BDS-3与156颗LEO的组合系统覆盖增强效果最佳，BDS-3与60颗LEO组合系统次之，最后是BDS-3与66颗LEO的组合系统，这是由于前两者组合系统中LEO卫星均采用高轨道倾角，而在BDS-3与66颗LEO的组合系统中，66颗LEO卫星只有30颗采用了高轨道倾角，可见只有当高轨道倾角的LEO卫星数增加时，高纬度地区的卫星覆盖效果才会增强。
由于PDOP值与测站上空卫星几何分布有关，因此当可见卫星数增加时，PDOP值会一定程度上得到改善，对比PDOP值分布图与可见卫星数分布图，可以发现在可见卫星数较多的地方PDOP值也较优。在BDS-3与60颗LEO的组合系统以及与66颗LEO的组合系统中，前者显著改善了BDS-3系统在中高纬度地区的PDOP值，但对中低纬度地区改善效果并不明显，而后者由于采用不同轨道倾角的组合低轨星座，所以相比于BDS-3单系统，全球范围内PDOP值改善了约0.2。而PDOP值全球分布效果最好的无疑是BDS-3与156颗LEO卫星的组合系统，在东西半球均能够达到优于1.6的PDOP值。
本文从影响星座定位性能的关键要素入手，探讨了卫星轨道高度、轨道倾角和星座构型对星座覆盖性能的影响。LEO卫星离地面距离越近，地面覆盖范围越小；卫星的轨道倾角越大，越有助于覆盖极地地区，轨道倾角越小，越能更好地覆盖赤道地区，且随着轨道倾角的增大，卫星在赤道处的覆盖能力逐渐减弱。通过仿真三种不同轨道类型的低轨星座，研究了BDS-3与各低轨星座的组合系统在不同测站以及全球范围内的可见卫星数和PDOP值分布，结果表明LEO卫星对BDS-3的增强效果主要与LEO卫星数目有关，但在卫星总数相当的情况下，选取不同轨道倾角的组合低轨星座有利于均衡系统在全球范围内的可见卫星数与PDOP值分布，且采用一定数量的高轨道倾角的LEO卫星有利于改善BDS-3系统高纬度地区覆盖性能与PDOP值分布相对较差的现状。
