2016, Vol. 41文章信息
- 杨元喜, 徐君毅
- YANG Yuanxi, XU Junyi
- 北斗在极区导航定位性能分析
- Navigation Performance of BeiDou in Polar Area
- 武汉大学学报·信息科学版, 2016, 41(1): 15-20
- Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(1): 15-20
- http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20150494
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文章历史
- 收稿日期: 2015-07-31
2. 西安测绘研究所, 陕西 西安, 710054;
3. 北京卫星导航中心, 北京, 100094
2. Xi'an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi'an 710054, China;
3. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China
随着全球变暖加剧，南极及北极地区的海冰融化进一步加速，甚至连冬季海冰的面积和厚度也都在急剧减少[1, 2]。对于北极地区来说，2007年夏季海冰面积比2005年缩小幅度高达23%[3]。据估计，在2060~2080年期间，北冰洋夏季的海冰将完全融化[4]。“东北航道”、“西北航道”在夏季的可用期大大增加。亚、欧和美洲之间的航线将缩短6 000~8 000 km，北极航道将成为大西洋和太平洋之间最短的航道，蕴含着极大的商业利益[5]。
同时，冰雪的融化也将使大面积的陆地露出地面，这将有利于人类定居和矿产开采。根据美国地质勘探局的最新估计，北极地区拥有原油储量900亿桶，天然气储量超过47万亿立方米。北极拥有全球13%的未探明石油储量、30%未开发的天然气和9%的世界煤炭资源[6]。
丰厚的资源储备及巨大的航线价值，使得北极地区战略地位凸显。北极地区也因此引起了国际社会的广泛关注。可以预见，在不远的未来，北极地区的航海航空、资源开发及科学研究的活动将显著增加。
为了保障北极区域活动的安全性，首先需要有可靠的导航定位保障。现有的导航手段如惯性导航、磁力和重力匹配导航在南北极地区均存在严重问题。首先，惯性导航在极区寻北能力很差，尽管有学者提出了基于横坐标系和格网导航参考系的极区惯性导航解决方案[7, 8, 9]，但是极端情况下惯性导航完全不能进行导航。磁力和重力也因为在极区近于常值，很难通过磁力传感器及重力传感器进行导航。
中国北斗卫星导航系统二代一期工程虽然取得了重要进展[10]，在设计区域北斗导航定位性能几乎与GPS相当[11, 12]，但由于设计时重点考虑中国及其周边地区的导航定位及授时能力，南北极覆盖较差，甚至暂时不具备导航定位能力。有学者探讨了北斗向北扩展以保障我国国防利益的技术方案，该方案并未考虑北斗全球化的因素[13]。
为了较客观地分析北极地区卫星导航定位需求，本文通过仿真计算详细分析了北斗(BDS)当前星座及未来全球星座在极区进行导航、定位服务的可用性，同时分析了GPS/BDS融合导航在极区的基本覆盖情况，分析了极区导航定位面临的挑战，提出了可能的应对方法。本文旨在为未来构建合理优化的极区导航定位方案提供基础分析。
1 北斗极区导航定位可用性为了分析北斗在极区的导航定位性能，本文利用自编软件进行了仿真分析。在本文计算和分析中，北斗区域星座采用了2013-01-22的北斗区域导航系统广播星历，对GPS星座仿真采用了YUMA星历。对北斗全球系统按35颗卫星(5颗GEO，3颗IGSO，27颗MEO)进行仿真(具体星座参数见表 1)。对北斗全球星座的仿真采用圆形轨道，即不考虑偏心率。仿真时间为1 d，采样率为300 s。其中，北斗5颗GEO卫星的轨道位置分别为58.75°E、80°E、110.5°E、140°E、160°E；3颗IGSO的倾角为55°，交叉点经度为118°E。按5°×5°的分辨率进行计算，计算中高度截止角设为10°。为方便比较分析，采用了5个方案：方案一： 北斗区域导航系统(BD2)；方案二： 北斗全球系统(BDS)；方案三： GPS；方案四： GPS+BD2；方案五： GPS+BDS。
| 轨道参数 | GEO | IGSO | MEO |
| 长半轴/km | 42 164 | 42 164 | 27 878 |
| 偏心率 | 0 | 0 | 0 |
| 轨道倾角/(°) | 0 | 55 | 55 |
| 升交点赤经 | 158.75°E,180°E,210.5°E ,240°E,260°E | 218°E,98°E,338°E | 0,120°E，240°E |
| 近地点角距/(°) | 0 | 0 | 0 |
| 平近点角 | 0 | 0(218°E), 120°(98°E), 240°(338°E) | 每个轨道上的首颗卫星平近点角分别为0°,13°20′,26°40′，其余卫星平近点角依次增加40° |
| 卫星数 | 5 | 3 | 27 |
| 轨道面 | 1 | 3 | 3 |
本文统计了BD2、BDS、GPS、GPS/BD2、GPS/BDS在北纬55°~90°范围内的卫星可见卫星数及精度因子(dilution of precision，DOP)值。具体结果见表 2、表 3及图 1~图 7。其中，GDOP为几何精度因子，PDOP为三维位置精度因子，HDOP为水平分量精度因子，VDOP为垂直分量精度因子。
| 10° | 20° | 30° | 40° | |||||
| 最少~最多 | 平均 | 最少~最多 | 平均 | 最少~最多 | 平均 | 最少~最多 | 平均 | |
| BD2 | — | — | — | — | — | — | — | — |
| BDS | 7~12 | 9.5 | 5~8 | 6.3 | 3~5 | 4.2 | 1~3 | 2.1 |
| GPS | 7~9 | 8.3 | 4~7 | 5.9 | 3~5 | 3.7 | 1~3 | 1.8 |
| GPS+BD2 | 8~16 | 11.5 | 5~11 | 8.0 | 3~6 | 5.1 | 1~4 | 2.5 |
| GPS+BDS | 14~21 | 18.2 | 10~15 | 13.2 | 7~10 | 8.6 | 3~6 | 4.6 |
| GDOP | PDOP | HDOP | VDOP | |||||
| 最少~最多 | 平均 | 最少~最多 | 平均 | 最少~最多 | 平均 | 最少~最多 | 平均 | |
| BD2 | — | — | — | — | — | — | — | — |
| BDS | 1.71~3.37 | 2.67 | 1.54~2.79 | 2.34 | 0.81~1.35 | 0.97 | 1.36~2.52 | 2.14 |
| GPS | 2.70~3.91 | 3.43 | 2.34~3.38 | 2.98 | 0.93~1.59 | 1.16 | 2.05~3.20 | 2.74 |
| GPS+BD2 | 1.47~3.45 | 2.57 | 1.29~3.00 | 2.25 | 0.70~1.44 | 0.90 | 1.09~2.84 | 2.06 |
| GPS+BD | 1.23~2.05 | 1.76 | 1.10~1.81 | 1.55 | 0.56~0.83 | 0.64 | 0.95~1.70 | 1.41 |
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| 图 1 北斗区域星座PDOP(高度角10°) Fig. 1 PDOP Value of BD2 (10°) |
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| 图 2 北斗全球星座PDOP(高度角10°) Fig. 2 PDOP Value of BDS (10°) |
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| 图 3 GPS PDOP(高度角10°) Fig. 3 PDOP Value of GPS (10°) |
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| 图 4 BD2+GPS PDOP(高度角10°) Fig. 4 PDOP Value of BD2+GPS (10°) |
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| 图 5 BDS+GPS PDOP(高度角10°) Fig. 5 PDOP Value of BDS+GPS (10°) |
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| 图 6 HDOP(高度角10°) Fig. 6 HDOP Value of BDS (10°) |
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| 图 7 GPS HDOP(高度角10°) Fig. 7 HDOP Value of GPS (10°) |
由表 2、3及图 1~图 7可以得出以下结论。
1) 由图 1可以看出，北斗二代区域卫星导航系统(BD2)在北纬60°~75°间，仅有一小部分可见，且PDOP值偏大，这意味着仅有某些时段能够提供导航服务；尤其在北纬75°~90°间，BD2基本不可见。这意味着北纬75°~90°间无法利用现有的BD2提供连续可靠的导航定位服务。
2) 由图 4可以看出，在北斗区域卫星导航系 统的基础上增加GPS系统，PDOP值约为1~3.1。 因此，在当前区域导航的条件下，可以更多地依赖其他GNSS来实现极区的导航。
3) 当北斗全球星座布设完成后，BDS在极区的导航服务能力将明显增强。由表 3及图 2、图 3表示的BDS和GPS的可见卫星数及PDOP值可以看出，北斗全球系统在极区的覆盖略优于GPS。 北纬60°~90°间，BDS的PDOP值约为1.4~2.8； GPS的PDOP值约为2.3~3.5。未来北斗的全球星座能够实现对极区的完全覆盖，完全能够独立地为极区各类应用提供导航定位和授时服务。由图 5及表 2、表 3可以看出，高度角为10°时，北斗/GPS双系统在极区的可见卫星数在14~21之间，PDOP值在1.1~1.8之间。相对单系统而言，改善明显。
4) 由图 6、图 7可以看出，无论是GPS还是BDS，其在极区的HDOP值相对于中低纬度地区要小。这对于航海等应用来说是有利条件。
1.2 卫星高度角随纬度的变化在不同纬度上选取一个点(经度为110°，高程为25 m)来分析描述北斗混合星座和GPS在不同纬度的高度角变化情况。计算时截止高度角取10°，结果见图 8和图 9。图 8中，C01~C05为GEO卫星，C06~C10为IGSO卫星，C11~C14为MEO卫星。
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| 图 8 北斗混合星座不同位置高度角变化 Fig. 8 Elevation Variation of BeiDou Hybrid Constellation at Different Locations |
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| 图 9 GPS星座不同位置高度角变化 Fig. 9 Elevation Variation of GPS Constellation at Different Locations |
由图 8可以得出以下结论。
1) 在北纬35°时，GEO卫星的高度角约为20°~50°；在北纬55°时，其高度角约为10°~30°；从北纬65°起，GEO卫星逐渐不可见。
2) 在北纬35°时，IGSO卫星可见时间较长，且大部分时间高度角大于20°。随着纬度的增加，其可见时间逐渐变短，且最大高度角不断下降。与MEO卫星相比，IGSO卫星在高纬度地区的可见时间要长一些，最大高度角比MEO卫星大。
3) 随着纬度的增加，MEO卫星的最大高度角从90°下降到不到60°。与其他地区相比，卫星的高度角在高纬度地区明显低。
图 9给出了GPS在北纬75°和85°的高度角变化。北斗的高度角变化与之类似。即，在北纬75°，卫星的最大高度角约低于70°；在北纬85°，卫星的最大高度角约为50°，与中低纬度相比高度角要低得多。
2 GNSS用于极区导航存在的问题及解决方案 2.1 GNSS用于极区导航存在的主要问题1) 虽然与中低纬度地区相比，极区具有更多的可视卫星，但多数卫星高度角较低。
2) 对流层延迟是影响GPS定位精度的关键因素。相关研究表明，对流层延迟对低高度角卫星观测的影响较大。
3) 极区电离层闪烁频繁发生，TEC日间波动较中纬度地区剧烈得多。
4) 由于极区的特殊性，星基或者地基增强系统在极区改善定位精度存在困难。对于EGNOS和WAAS等星基增强系统来说，GEO卫星难以覆盖极区，仅在部分地区、部分时段可见，且高度角很低。对于地基增强系统来说，目前在极区的观测站还很少。同时，极区恶劣的环境也使得建立长期的监测站存在诸多的困难，如难以提供持续的能源、缺乏实时的通信链路等。
2.2 可能的解决方案1) 在极地GNSS导航定位中需要寻求更有效的改正对流层延迟的方法。精化对流层改正模型，改善低高度角卫星的对流层模型精度，在保持同样定位精度的基础上，降低对观测数据的截止高度角的要求。如此，可以利用更多的低高度角的卫星观测信息，提高观测冗余，同时也提高导航定位的异常误差诊断能力和容错能力。
2) 针对极区电离层影响可采取的措施有：① 采用双频消电离层组合。② 在极区建立更多监测站，从而建立更为精确的区域电离层模型。同时对电离层异常进行监测，以便向用户告警，提高导航的可靠性。③在高精度定位中，考虑电离层二阶项延迟的影响。
3) 针对极区很多活动具有季节性的特点，建立一些灵活的临时性监测站，从而满足导航需求。
4) 在必要的时候，利用其他GNSS进行辅助导航。
5) 在惯导和天文导航可用时，可联合惯导和天文导航进行组合导航。
3 结 语1) 由于北斗区域卫星导航系统在设计时重点考虑中国及其周边地区的导航定位及授时能力，其在南北极覆盖较差，甚至暂时不具备导航定位能力。因此，在现有的星座下，要实现极区的导航需要依赖其他GNSS。
2) 未来北斗的全球星座能够实现对两极地区的完全覆盖，完全能够独立地为两极地区各类应用提供导航定位和授时服务，从而为实现我国在两极地区的利益提供有力的导航保障。
3) 不可否认的是，利用北斗提供两极地区的导航定位服务也存在一定的问题和困难。这些困难和问题有待更多深入的研究来解决。
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